Напишите уравнения реакций характеризующие углерод как окислитель как восстановитель

Химия,


вопрос задал noctik99,


7 лет назад

Напишите уравнения реакций характеризующие углерод а)как окислитель; б)как восстановитель. составьте схемы электронного баланса или обозначьте переход электронов стрелкой

Ответы на вопрос

Ответил CloserToTheEdge

0

1) C + 2H2 = CH4

C0 + 4e = C-4 | окислитель
H0 — 2e = H+1 | восстановитель

2) С + О2 = СО2

С0 — 4е = С+4 | восстановить
О0 + 4е = О-2 | окислитель

Ответил noctik99

0

огромное спасибо

Новые вопросы

Биология,
5 лет назад

30. Система нейронов, воспринимающих раздражения, проводящих нервные импульсы н обеспечивающих переработку информации, называют
1) нервным волокнам
2) ЦНС
3) нервом
4) анализатором…

География,
5 лет назад

К какой системе относится Березина?​

Геометрия,
7 лет назад

Помогите решить.Радиус окружности,вписанной в квадрат,равен 5 см.Найдите радиус окружности, описанной окол этого квадрат…

Математика,
7 лет назад

Найди значение выражения
13 770 000 ; 450 — 142 *4560 : 213…

География,
7 лет назад

опишите горы Гималаи по плану:
1,на каком материке и в какой его части расположены
2,в каком направлении и на сколько километров протянулись
3,отношение к другим географическим…

Математика,
7 лет назад

Чтобы приготовить фруктовый салат на 4 порции необходимо: 250г апельсинов, 500г яблок и 100г сахарного песка. Сколько порций получится, если приготовить салат из 1кг апельсинов, 3 кг яблок, и 1кг…

1. Положение углерода в периодической системе химических элементов
2. Электронное строение углерода
3. Физические свойства и нахождение в природе
4. Качественные реакции
5. Химические свойства
5.1. Взаимодействие с простыми веществами
5.1.1. Взаимодействие с галогенами
5.1.2. Взаимодействие с серой и кремнием
5.1.3. Взаимодействие с водородом и фосфором 
5.1.4. Взаимодействие с азотом
5.1.5. Взаимодействие с активными металлами
5.1.6. Горение
5.2. Взаимодействие со сложными веществами
5.2.1. Взаимодействие с водой
5.2.2. Взаимодействие с оксидами металлов
5.2.3. Взаимодействие с серной кислотой
5.2.4. Взаимодействие с азотной кислотой
5.2.5. Взаимодействие с солями

Бинарные соединения углерода — карбиды

Оксид углерода (II) 
 1. Строение молекулы и физические свойства 
 2. Способы получения 
3. Химические свойства
3.1. Взаимодействие с кислородом
3.2. Взаимодействие с хлором
3.3. Взаимодействие с водородом
3.4. Взаимодействие с щелочами
3.5. Взаимодействие с оксидами металлов
3.6. Взаимодействие с прочими окислителями

Оксид углерода (IV) 
 1. Строение молекулы и физические свойства 
 2. Способы получения 
3. Химические свойства 
3.1. Взаимодействие с основными оксидами и основаниями 
2.3. Взаимодействие с карбонатами и гидрокарбонатами
2.4. Взаимодействие с восстановителями

Карбонаты и гидрокарбонаты 

Углерод

Положение в периодической системе химических элементов

Углерод расположен в главной подгруппе IV группы  (или в 14 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение углерода 

Электронная конфигурация  углерода в основном состоянии:

+6С 1s²2s²2p²     1s    2s   2p 

Электронная конфигурация  углерода в возбужденном состоянии:

+6С^* 1s²2s¹2p³  1s    2s   2p 

Атом углерода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 1 неподеленную электронную пару в основном энергетическом состоянии и 4 неспаренных электрона в возбужденном энергетическом состоянии.

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

Физические свойства 

Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.

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. Это наиболее устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода.

Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.

Карбин — вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.

[=C=C=C=C=C=C=]_n  или [–C≡C–C≡C–C≡C–]_n

Фуллерен — это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С₆₀, С₇₀ и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода.

Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.

В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).

Качественные реакции

Качественная реакция на карбонат-ионы CO₃^2- — взаимодействие  солей-карбонатов с сильными кислотами. Более сильные кислоты вытесняют угольную кислоту из солей. При этом выделяется бесцветный газ, не поддерживающий горение – углекислый газ.

Например, карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Качественная реакция на углекислый газ CO₂ – помутнение известковой воды при пропускании через нее углекислого газа:

CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + H₂O

При дальнейшем пропускании углекислого газа осадок растворяется, т.к. карбонат кальция под действием избытка углекислого газа переходит в растворимый гидрокарбонат кальция:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O → Ca(HCO₃)₂

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция с углекислым газом (качественная реакция на углекислый газ) можно посмотреть здесь.

Углекислый газ СО₂ не поддерживает горение. Угарный газ CO горит голубым пламенем.

Соединения углерода

Основные степени окисления углерода — +4, +2, 0, -1 и -4.

Наиболее типичные соединения углерода:

Степень окисления	Типичные соединения
+4	оксид углерода (IV) CO2 угольная кислота H2CO3 карбонаты MeCO3 гидрокарбонаты MeHCO3
+2	оксид углерода (II) СО муравьиная кислота HCOOH
-4	метан CH4 карбиды металлов (карбид алюминия Al4C3) бинарные соединения с неметаллами (карбид кремния SiC)

Химические свойства

При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.

1. Углерод проявляет свойства окислителя (с элементами, которые расположены ниже и левее в Периодической системе) и свойства восстановителя (с элементами, расположенными выше и правее). Поэтому углерод реагирует и с металлами, и с неметаллами.

1.1. Из галогенов углерод при комнатной температуре реагирует с фтором с образованием фторида углерода:

C  +  2F₂  → CF₄

1.2. При сильном нагревании углерод реагирует с серой и кремнием с образованием бинарного соединения сероуглерода и карбида кремния соответственно:

C   +   2S   → CS₂

C   +   Si   → SiC

1.3. Углерод не взаимодействует с фосфором.

При взаимодействии углерода с водородом образуется метан. Реакция идет в присутствии катализатора (никель) и при нагревании:

С   +   2Н₂  →   СН₄

1.4. С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:

2С  + N₂  →  N≡C–C≡N

1.5. В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:

4C   +   3Al → Al₄C₃

2C   +   Ca → CaC₂

1.6. При нагревании с избытком воздуха графит горит, образуя оксид углерода (IV):

C  +   O₂  →  CO₂

 при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C  +   O₂  →  2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Углерод взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Раскаленный уголь взаимодействует с водяным паром с образованием угарного газа и водорода:

C⁰ + H₂⁺O → C⁺²O + H₂⁰

2.2. 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.

Например, углерод взаимодействует с оксидом цинка с образованием металлического цинка и угарного газа:

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

2.3. Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании. При этом образуются оксид серы (IV), оксид углерода (IV) и вода:

C +2H₂SO_4(конц) → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

2.4. Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании. При этом образуются оксид азота (IV), оксид углерода (IV) и вода:

C +4HNO_3(конц) → CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

2.5. 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

Карбиды

Карбиды – это соединения элементов с углеродом. Карбиды разделяют на ковалентные и ионные в зависимости от типа химической связи между атомами.

Ковалентные карбиды	Ионные карбиды
Метаниды	Ацетилениды	Пропиниды
Это соединения углерода с неметаллами Например: SiC, B4C	Это соединения с металлами, в которых с.о. углерода равна -4 Например: Al4C3, Be2C	Это соединения с металлами, в которых с.о. углерода равна -1 Например: Na2C2, CaC2	Это соединения с металлами, при гидролизе которых образуется пропин Например: Mg2C3
Частицы связаны ковалентными связями и образуют атомные кристаллы. Поэтому ковалентные карбиды химически стойкие. Окисляются только  сильными окислителями	Метаниды разлагаются водой или кислотами с образованием метана и гидроксида или соли: Например: Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4	Ацетилениды разлагаются водой или кислотами с образованием ацетилена и гидроксида или соли: Например: СаС2+ 2Н2O →  Са(OH)2 + С2Н2	Пропиниды разлагаются водой или кислотами с образованием пропина и гидроксида или соли Например: Mg2C3 + 4HCl → 2MgCl2 + С3Н4

Все карбиды проявляют свойства восстановителей и могут быть окислены сильными окислителями.

Например, карбид кремния окисляется концентрированной азотной кислотой при нагревании до углекислого газа, оксида кремния (IV) и оксида азота (II):

SiC + 8HNO₃ → 3SiO₂ + 3CO₂ + 8NO + 4H₂O

Оксид углерода (II)

Строение молекулы и физические свойства

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:

Способы получения

В лаборатории угарный газ  можно получить действием концентрированной серной кислоты на муравьиную или щавелевую кислоты:

НСООН  →   CO   +  H₂O

H₂C₂O₄ → CO + CO₂ + H₂O

В промышленности угарный газ получают в газогенераторах при пропускании воздуха через раскаленный уголь:

C + O₂ → CO₂

CO₂ + C → 2CO

Еще один важный промышленный способ получения угарного газа — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

СН₄ + Н₂O → СО + 3Н₂

Также возможна паровая конверсия угля:

C⁰ + H₂⁺O → C⁺²O + H₂⁰

Угарный газ в промышленности также можно получать неполным окислением метана:

2СН₄ + 3О₂ → 2СО + 4Н₂O

Химические свойства

Оксид углерода (II) –  несолеобразующий оксид. За счет углерода со степенью окисления +2 проявляет восстановительные свойства.

1. Угарный газ горит в атмосфере кислорода. Пламя окрашено в синий цвет:

2СO +  O₂ → 2CO₂

2. Оксид углерода (II) окисляется хлором в присутствии катализатора или под действием света с образованием фосгена. Фосген – ядовитый газ.

CO   +   Cl₂ → COCl₂

3. 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

4. Под давлением оксид углерода (II) реагирует с щелочами. При этом образуется формиат – соль муравьиной кислоты.

Например, угарный газ реагирует с гидроксидом натрия с образованием формиата натрия:

CO + NaOH → HCOONa

5. Оксид углерода (II) восстанавливает металлы из оксидов.

Например, оксид углерода (II) реагирует с оксидом железа (III) с образованием железа и углекислого газа:

3CO  + Fe₂O₃  →  2Fe   + 3CO₂

Оксиды меди (II) и никеля (II)  также восстанавливаются угарным газом:

СО +  CuO  →  Cu    + CO₂

СО +  NiO   →  Ni  + CO₂

6. Угарный газ окисляется и другими сильными окислителями до углекислого газа или карбонатов.

Например, пероксидом натрия:

CO   +   Na₂O₂ → Na₂CO₃

Оксид углерода (IV)

Строение молекулы и физические свойства

Оксид углерода (IV) (углекислый газ) — газ без цвета и запаха. Тяжелее воздуха. Замороженный углекислый газ называют также «сухой лед». Сухой лед легко подвергается сублимации — переходит из твердого состояния в газообразное.

Смешивая сухой лед и различные вещества, можно получить интересные эффекты. Например, сухой лед в пиве:

Углекислый газ не горит, поэтому его применяют при пожаротушении.

Молекула углекислого газа линейная, атом углерода находится в состоянии sp-гибридизации, образует две двойных связи с атомами кислорода:

Обратите внимание! Молекула углекислого газа не полярна. Каждая химическая связь С=О по отдельности полярна, а вся молекула не будет полярна. Объяснить это очень легко. Обозначим направление смещения электронной плотности в полярных связях стрелочками (векторами):

Теперь давайте сложим эти векторы. Сделать это очень легко. Представьте, что атом углерода — это покупатель в магазине. А атомы кислорода — это консультанты, которые тянут его в разные стороны. В данном опыте консультанты одинаковые, и тянут покупателя в разные стороны с одинаковыми силами. Несложно увидеть, что покупатель двигаться не будет ни влево, ни вправо. Следовательно, сумма этих векторов равна нулю. Следовательно, полярность молекулы углекислого газа равна нулю.

Способы получения

В лаборатории углекислый газ можно получить разными способами:

1. Углекислый газ образуется при действии сильных кислот на карбонаты  и гидрокарбонаты металлов. При этом взаимодействуют с кислотами и нерастворимые карбонаты, и растворимые.

Например, карбонат кальция растворяется в соляной кислоте:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂

Видеоопыт взаимодействия карбоната кальция с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Еще один пример: гидрокарбонат натрия реагирует с бромоводородной кислотой:

NaHCO₃ + HBr → NaBr +H₂O +CO₂

2. Растворимые карбонаты реагируют с растворимыми солями алюминия, железа (III) и хрома (III). Карбонаты трехвалентных металлов  необратимо  гидролизуются в водном растворе.

Например: хлорид алюминия реагирует с карбонатом калия. При этом выпадает осадок гидроксида алюминия, выделяется углекислый газ и образуется хлорид калия:

2AlCl₃  +  3K₂CO₃  + 3H₂O →  2Al(OH)₃↓  +  CO₂↑ +  6KCl

3. Углекислый газ также образуется при термическом разложении нерастворимых карбонатов и при разложении растворимых гидрокарбонатов.

Например, карбонат кальция разлагается при нагревании на оксид кальция и углекислый газ:

CaCO₃  →  CaO   +   CO₂

Химические свойства

Углекислый газ — типичный кислотный оксид. За счет углерода со степенью окисления +4 проявляет слабые окислительные свойства.

1. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с водой. Реакция очень сильно обратима, поэтому мы считаем, что в реакциях угольная кислота распадается почти полностью при образовании.

CO₂   +    H₂O  ↔  H₂CO₃

2. Как кислотный оксид, углекислый газ взаимодействует с основными оксидами и основаниями. При этом углекислый газ реагирует только с сильными основаниями (щелочами) и их оксидами. При взаимодействии углекислого газа с щелочами возможно образование как кислых, так и средних солей.

Например, гидроксид калия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат калия:

KOH  + CO₂  → KHCO₃

При избытке щелочи образуется средняя соль, карбонат калия:

2KOH  + CO₂  → K₂CO₃ + H₂O

Помутнение известковой воды — качественная реакция на углекислый газ:

Ca(OH)₂ + CO₂  → CaCO₃ + H₂O

Видеоопыт взаимодействия гидроксида кальция (известковая вода) с углекислым газом можно посмотреть здесь.

3. Углекислый газ взаимодействует с карбонатами. При пропускании СО₂ через раствор карбонатов образуются гидрокарбонаты.

Например, карбонат натрия взаимодействует с углекислым газом. В избытке углекислого газа образуется кислая соль, гидрокарбонат натрия:

Na₂CO₃   +  CO₂   +  H₂O → 2NaHCO₃

4. Как слабый окислитель, углекислый газ взаимодействует с  некоторыми восстановителями.

Например, углекислый газ взаимодействует с углеродом с образованием угарного газа:

CO₂ + C → 2CO

Магний горит в атмосфере углекислого газа:

2Мg + CO₂ → C + 2MgO

Видеоопыт взаимодействия магния с углекислым газом можно посмотреть здесь.

Поэтому углекислый газ нельзя применять для пожаротушения горящего магния.

Углекислый газ взаимодействует с пероксидом натрия. При этом пероксид натрия диспропорционирует:

2CO₂ + 2Na₂O₂ → 2Na₂CO₃  +  O₂

Карбонаты и гидрокарбонаты

При нагревании карбонаты (все, кроме карбонатов щелочных металлов и аммония) разлагаются до оксида металла и оксида углерода (IV).

CaCO₃   →   CaO   +   CO₂

Карбонат аммония при нагревании разлагается на аммиак, воду и углекислый газ:

(NH₄)₂CO₃ →  2NH₃  +  2H₂O  +  CO₂

Гидрокарбонаты при нагревании переходят в карбонаты:

2NaHCO₃  →   Na₂CO₃   +  CO₂   + H₂O 

 Качественной реакцией на ионы СО₃^2─  и НСО₃⁻ является их взаимодействие с более сильными кислотами, последние вытесняют угольную кислоту из солей, а та разлагается с выделением СО₂.

Например, карбонат натрия взаимодействует с соляной кислотой:

Na₂CO₃   +  2HCl   →  2NaCl   +  CO₂ ↑  +  H₂O

Гидрокарбонат натрия также взаимодействует с соляной кислотой:

 NaHCO₃   +  HCl   →  NaCl   +  CO₂ ↑  +  H₂O

Гидролиз карбонатов и гидрокарбонатов

Растворимые карбонаты и гидрокарбонаты гидролизуются по аниону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. чуть-чуть:

I ступень: CO₃^2- + H₂O = HCO₃^— + OH^—

II ступень: HCO₃^— + H₂O = H₂CO₃ + OH^—

Однако  карбонаты  и гидрокарбонаты алюминия, хрома (III) и железа (III) гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Al₂(SO₄)₃  +  6NaHCO₃  → 2Al(OH)₃  +  6CO₂  +  3Na₂SO₄

2AlBr₃  +  3Na₂CO₃  + 3H₂O →  2Al(OH)₃↓  +  CO₂↑ +  6NaBr

Al₂(SO₄)₃  +  3K₂CO₃  +  3H₂O →  2Al(OH)₃↓  +  3CO₂↑  +  3K₂SO₄

Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.

Характеристика углерода. Свойства простых веществ и соединений

Углерод (С)

– типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.

Физические свойства:

углерод образует множество аллотропных модификаций:

алмаз

– одно из самых твердых веществ,

графит, уголь, сажа

.

Атом углерода имеет 6 электронов: 1s

²

2s

²

2p

²


.

Последние два электрона располагаются на отдельных р-орбиталях и являются неспаренными. В принципе, эта пара могла бы занимать одну орбиталь, но в таком случае сильно возрастает межэлектронное отталкивание. По этой причине один из них занимает 2р

_х

, а другой, либо 2р

_у


,

либо 2р

_z

-орбитали.

Различие энергии s- и р-подуровней внешнего слоя невелико, поэтому атом довольно легко переходит в возбужденное состояние, при котором один из двух электронов с 2s-орбитали переходит на свободную

2р.

Возникает валентное состояние, имеющее конфигурацию 1s

²

2s

¹

2p

_x


¹

2p

_y


¹

2p

_z


¹


.

Именно такое состояние атома углерода характерно для решетки алмаза — тетраэдрическое пространственное расположение гибридных орбиталей, одинаковая длина и энергия связей.

Это явление, как известно, называют

sp

³

-гибридизацией,

а возникающие функции – sp

³

-гибридными

.

Образование четырех sp

³

-связей обеспечивает атому углерода более устойчивое состояние, чем три

р—р-

и одна s—s-связи. Помимо sp

³

-гибридизации у атома углерода наблюдается также sp

²

— и sp-гибридизация

.

В первом случае возникает взаимное наложение

s-

и двух р-орбиталей. Образуются три равнозначные sp

²

— гибридных орбитали, расположенные в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Третья орбиталь р неизменна и направлена перпендикулярно плоскости

sp

²

.

При sp-гибридизации происходит наложение орбиталей s и р. Между двумя образующимися равноценными гибридными орбиталями возникает угол 180°, при этом две р-орбитали у каждого из атомов остаются неизменными.

В кристалле графита атомы углерода расположены в параллельных плоскостях, занимая в них вершины правильных шестиугольников. Каждый из атомов углерода связан с тремя соседними sp

²

-гибридными связями. Между параллельными плоскостями связь осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых сил. Свободные р-орбитали каждого из атомов направлены перпендикулярно плоскостям ковалентных связей. Их перекрыванием объясняется дополнительная π-связь между атомами углерода. Таким образом, от

валентного состояния, в котором находятся атомы углерода в веществе, зависят свойства этого вещества

.

Химические свойства углерода

Наиболее характерные степени окисления: +4, +2.

При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает.

Углерод как восстановитель:

—    с кислородом

C

⁰

+ O

₂

–

^t°

=  CO

₂

углекислый газ

при недостатке кислорода — неполное сгорание:

2C

⁰

+ O

₂

–

^t°

= 2C

⁺²

O угарный газ

—     со фтором

С + 2F

₂

= CF

₄

—    с водяным паром

C

⁰

+ H

₂

O  –

^1200°

= С

⁺²

O + H

₂

водяной газ

—  с оксидами металлов. Таким образом выплавляют металл из руды.

C

⁰

+ 2CuO  –

^t°

=  2Cu + C

⁺⁴

O

₂

—  с кислотами – окислителями:

C

⁰

+ 2H

₂

SO

₄

(конц.) = С

⁺⁴

O

₂

­ + 2SO

₂

­ + 2H

₂

O

С

⁰

+ 4HNO

₃

(конц.) = С

⁺⁴

O

₂

­ + 4NO

₂

­ + 2H

₂

O

—  с серой образует сероуглерод:

С + 2S

₂

= СS

₂

.

Углерод как окислитель:

—    с некоторыми металлами образует карбиды

4Al + 3C

⁰

= Al

₄

C

₃

Ca + 2C

⁰

= CaC

₂


^-4

—     с водородом — метан (а также огромное количество органических соединений)

C

⁰

+ 2H

₂

= CH

₄

— с кремнием, образует карборунд (при 2000 °C в электропечи):

Si + C = SiC.

Нахождение углерода в природе

Ссвободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО

₃

, доломита – MgCO

₃

*CaCO

₃

; гидрокарбонатов – Mg(НCO

₃

)

₂

и Са(НCO

₃

)

₂

, СО

₂

входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ, белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.

Неорганические соединения углерода

Ни ионы С

⁴⁺

, ни С

^4-

‑ ни при каких обычных химических процессах не образуются: в соединениях углерода имеются ковалентные связи различной полярности.

Оксид углерода (II)

СО

Угарный газ; бесцветный, без запаха, малорастворим в воде, растворим в органических растворителях, ядовит, t°кип = -192°C; t пл. = -205°C.

Получение

1)     В промышленности (в газогенераторах):

C + O

₂

= CO

₂

CO

₂

+ C = 2CO

2)     В лаборатории — термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H

₂

SO

₄

(конц.):

HCOOH = H

₂

O + CO­

H

₂

C

₂

O

₄

= CO­ + CO

₂

­ + H

₂

O

Химические свойства

При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель; несолеобразующий оксид.

1)     с кислородом

2C

⁺²

O + O

₂

= 2C

⁺⁴

O

₂

2)     с оксидами металлов

C

⁺²

O + CuO = Сu + C

⁺⁴

O

₂

3)     с хлором (на свету)

CO + Cl

₂

–

^hn

=  COCl

₂

(фосген)

4)     реагирует с расплавами щелочей (под давлением)

CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)

5)     с переходными металлами образует карбонилы

Ni + 4CO  –

^t°

= Ni(CO)

₄

Fe + 5CO  –

^t°

= Fe(CO)

₅

Оксид углерода (IV) СO


2

Углекислый газ, бесцветный, без запаха, растворимость в воде — в 1V H

₂

O растворяется 0,9V CO

₂

(при нормальных условиях); тяжелее воздуха; t°пл.= -78,5°C (твёрдый CO

₂

называется «сухой лёд»); не поддерживает горение.

Получение

1. Термическим разложением солей угольной кислоты (карбонатов). Обжиг известняка:

CaCO

₃

–

^t°

=  CaO + CO

₂

1. Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO

₃

+ 2HCl = CaCl

₂

+ H

₂

O + CO

₂

­

NaHCO

₃

+ HCl = NaCl + H

₂

O + CO

₂

­

Химические


свойства


СO


2


Кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты

Na

₂

O + CO

₂

= Na

₂

CO

₃

2NaOH + CO

₂

= Na

₂

CO

₃

+ H

₂

O

NaOH + CO

₂

= NaHCO

₃

При повышенной температуре может проявлять окислительные свойства

С

⁺⁴

O

₂

+ 2Mg  –

^t°

=  2Mg

⁺²

O + C

⁰

Качественная реакция

Помутнение известковой воды:

Ca(OH)

₂

+ CO

₂

= CaCO

₃

¯(белый осадок) + H

₂

O

Оно исчезает при длительном пропускании CO

₂

через известковую воду, т.к. нерастворимый карбонат кальция переходит в растворимый гидрокарбонат:

CaCO

₃

+ H

₂

O + CO

₂

= Сa(HCO

₃

)

₂

Угольная кислота и её


соли

H

₂



CO

₃

—

Кислота слабая, существует только в водном растворе:

CO

₂

+ H

₂

O ↔ H

₂

CO

₃

Двухосновная:

H

₂

CO

₃

↔ H

⁺

+ HCO

₃


^—

Кислые соли — бикарбонаты, гидрокарбонаты



HCO

₃


^—

↔ H

⁺

+ CO

₃


^2-

Средние соли — карбонаты

Характерны все свойства кислот.

Карбонаты и гидрокарбонаты могут превращаться друг в друга:

2NaHCO

₃

–

^t°

=  Na

₂

CO

₃

+ H

₂

O + CO

₂

­

Na

₂

CO

₃

+ H

₂

O + CO

₂

= 2NaHCO

₃

Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются с образованием оксида:

CuCO

₃

–

^t°

=  CuO + CO

₂

­

Качественная реакция

— «вскипание» при действии сильной кислоты:

Na

₂

CO

₃

+ 2HCl = 2NaCl + H

₂

O + CO

₂

­

CO

₃


^2-

+ 2H

⁺

= H

₂

O + CO

₂

­

Карбиды

Карбид кальция:

CaO + 3 C = CaC

₂

+ CO

CaC

₂

+ 2 H

₂

O = Ca(OH)

₂

+ C

₂

H

₂

.

Ацетилен выделяется при реакции с водой карбидов цинка, кадмия, лантана и церия:

2 LaC

₂

+ 6 H

₂

O = 2La(OH)

₃

+ 2 C

₂

H

₂

+ H

₂

.

Be

₂

C и Al

₄

C

₃

разлагаются водой с образованием метана:

Al

₄

C

₃

+ 12 H

₂

O = 4 Al(OH)

₃

= 3 CH

₄

.

В технике применяют карбиды титана TiC, вольфрама W

₂

C (твердые сплавы), кремния SiC (карборунд – в качестве абразива и материала для нагревателей).

Цианиды

получают при нагревании соды в атмосфере аммиака и угарного газа:

Na

₂

CO

₃

+ 2 NH

₃

+ 3 CO = 2 NaCN + 2 H

₂

O + H

₂

+ 2 CO

₂

Синильная кислота HCN – важный продукт химической промышленности, широко применяется в органическом синтезе. Ее мировое производство достигает 200 тыс. т в год. Электронное строение цианид-аниона аналогично оксиду углерода (II), такие частицы называют изоэлектронными:

C

=

O: [:C

=

N:]

^–

Цианиды (0,1-0,2%-ный водный раствор) применяют при добыче золота:

2 Au + 4 KCN + H

₂

O + 0,5 O

₂

= 2 K[Au(CN)

₂

] + 2 KOH.

При кипячении растворов цианидов с серой или сплавлении твердых веществ образуются

роданиды

:

KCN + S = KSCN.

При нагревании цианидов малоактивных металлов получается дициан:  Hg(CN)

₂

= Hg + (CN)

₂

. Растворы цианидов окисляются до

цианатов

:

2 KCN + O

₂

= 2 KOCN.

Циановая кислота существует в двух формах:

H-N=C=O; H-O-C

=

N:

В 1828 г. Фридрих Вёлер (1800-1882) получил из цианата аммония мочевину: NH

₄

OCN = CO(NH

₂

)

₂

при упаривании водного раствора.

Это событие обычно рассматривается как победа синтетической химии над «виталистической теорией».

Существует изомер циановой кислоты –

гремучая кислота

H-O-N=C.

Ее соли (гремучая ртуть Hg(ONC)

₂

) используются в ударных воспламенителях.

Синтез

мочевины

(карбамида):

CO

₂

+ 2 NH

₃

= CO(NH

₂

)

₂

+ H

₂

O.  При 130

⁰

С и 100 атм.

Мочевина является амидом угольной кислоты, существует и ее «азотный аналог» – гуанидин.

Карбонаты

Важнейшие неорганические соединения углерода – соли угольной кислоты (карбонаты). H

₂

CO

₃

– слабая кислота (К

₁

=1,3·10

^-4

; К

₂

=5·10

^-11

). Карбонатный буфер поддерживает

углекислотное равновесие

в атмосфере. Мировой океан обладает огромной буферной емкостью, потому что он является открытой системой. Основная буферная реакция – равновесие при диссоциации угольной кислоты:

H

₂

CO

₃

↔ H

⁺

+ HCO

₃


^—

.

При понижении кислотности происходит дополнительное поглощение углекислого газа из атмосферы с образованием кислоты:

CO

₂

+ H

₂

O ↔ H

₂

CO

₃

.

При повышении кислотности происходит растворение карбонатных пород (раковины, меловые и известняковые отложения в океане); этим компенсируется убыль гидрокарбонатных ионов:

H

⁺

+ CO

₃


^2-

↔  HCO

₃


^—

CaCO

₃

(тв.) ↔  Ca

²⁺

+ CO

₃


^2-

Твердые карбонаты переходят в растворимые гидрокарбонаты. Именно этот процесс химического растворения избыточного углекислого газа противодействует «парниковому эффекту» – глобальному потеплению из-за поглощения углекислым газом теплового излучения Земли. Примерно треть мирового производства соды (карбонат натрия Na

₂

CO

₃

) используется в производстве стекла.

Почему углерод окислитель восстановитель

Атомы всех элементов подгруппы углерода во внешнем слое содержат по четыре электрона.

Следовательно, атомы углерода могут отдавать четыре электрона, т. е. окисляться, могут и присоединять четыре электрона, т. е. восстанавливаться.

Ставится вопрос: когда же углерод является восстановителем и когда окислителем?

Углерод восстановитель

Когда углерод при взаимодействии с активными неметаллами атомы отдают электроны, т. е. играют роль восстановителей, например:

При повторении окиси углерода отмечаются её восстановительные свойства:

1) при выплавке металлов из руд:

а) Fe₂O₃ + 3СО = 2Fe + 3CО₂ (суммарное уравнение);

б) Сu₂O + СО =2Сu + СO₂;

2) при взаимодействии с галогенами:

Углерод окислитель

При соединении же с металлами и водородом углерод проявляет отрицательную валентность, т. е. является окислителем :

Окислитель и восстановитель

Отмечаются далее углерод окислитель восстановитель по реакции, имеющие место при получении газообразного топлива, а именно генераторного газа:

а также и водяного газа:

С + Н₂O = СО + Н₂.

Следует отметить энергетическую сторону процессов получения этих газов, а именно: экзотермический характер процессов при получении генераторного газа и эндотермический — при получении водяного газа.

В связи с этим можно дать понятие о смешанном газе, т. е. об одновременном получении генераторного и водяного газа: выделяющееся тепло при первом процессе используется при получении второго газа.

Из примерного основного состава этих двух газов легко выводится основной состав и смешанного газа:

(СО + 2N₂) + (СО + Н₂) = 2СO + Н₂ + 2N₂.

Из сопоставления основного состава этих газов учащиеся обычно легко делают вывод: при сгорании какого из этих газов выделяется больше тепла, какой из них обладает наибольшей калорийностью. Таким газом будет, ясно, водяной газ, потому что обе его составные части горят:

CO + H₂ + O₂ = CO₂ + H₂O

На втором месте по калорийности стоит смешанный газ, так как процент негорючей составной части его, азота, в нём меньше, чем в генераторном газе.

В связи с превращением казенного угля в газообразное топливо необходимо отметить впервые высказанные Д. И. Менделеевым в 1888 г. мысли о подземной его газификации. Эти мысли потом блестяще были развиты В. И. Лениным и впервые в мире осуществлены у нас в 1937 г.

Статья на тему Углерод окислитель восстановитель

Понравилась статья поделись ей