Углерод
В свободном состоянии углерод образует 3 аллотропные модификации: алмаз, графит и искусственно получаемый карбин.
В кристалле алмаза каждый атом углерода связан прочными ковалентными связями с четырьмя другими, размещенными вокруг него на одинаковых расстояниях.
Все атомы углерода находятся в состоянии sp 3 -гибридизации. Атомная кристаллическая решетка алмаза имеет тетраэдрическое строение.
Алмаз - бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет вещество. Отличается самой большой твердостью среди всех известных веществ. Алмаз хрупкий, тугоплавкий, плохо проводит тепло и электрический ток. Небольшие расстояния между соседними атомами углерода (0,154 нм) обусловливают довольно большую плотность алмаза (3,5 г/см 3).
В кристаллической решетке графита каждый атом углерода находится в состоянии sp 2 -гибридизации и образует три прочные ковалентные связи с атомами углерода, расположенными в том же слое. В образовании этих связей участвуют по три электрона каждого атома, углерода, а четвертые валентные электроны образуют л-связи и являются относительно свободными (подвижными). Они обусловливают электро- и теплопроводность графита.
Длина ковалентной связи между соседними атомами углерода в одной плоскости равна 0,152 нм, а расстояние между атомами С в различных слоях больше в 2,5 раза, поэтому связи между ними слабые.
Графит - непрозрачное, мягкое, жирное на ощупь вещество серо-черного цвета с металлическим блеском; хорошо проводит тепло и электрический ток. Графит имеет меньшую плотность по сравнению с алмазом, легко расщепляется на тонкие чешуйки.
Разупорядоченная структура мелкокристаллического графита лежит в основе строения различных форм аморфного углерода, важнейшими из которых являются кокс, бурые и каменные угли, сажа, активированный (активный) уголь.
Эту аллотропную модификацию углерода получают каталитическим окислением (дегидрополиконденсацией) ацетилена. Карбин - цепочечный полимер, имеющий две формы:
С=С-С=С-... и...=С=С=С=
Карбин обладает полупроводниковыми свойствами.
При обычной температуре обе модификации углерода (алмаз и графит) химически инертны. Мелкокристаллические формы графита - кокс, сажа, активированный уголь - более реакционноспособны, но, как правило, после их предварительного нагревания до высокой температуры.
1. Взаимодействие с кислородом
С + O 2 = СO 2 + 393,5 кДж (в избытке O 2)
2С + O 2 = 2СО + 221 кДж (при недостатке O 2)
Сжигание угля - один из важнейших источников энергии.
2. Взаимодействие с фтором и серой.
С + 2F 2 = CF 4 тетрафторид углерода
С + 2S = CS 2 сероуглерод
3. Кокс - один из важнейших восстановителей, используемых в промышленности. В металлургии с его помощью получают металлы из оксидов, например:
ЗС + Fe 2 O 3 = 2Fe + ЗСО
С + ZnO = Zn + СО
4. При взаимодействии углерода с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов восстановленный металл, соединяясь с углеродом, образует карбид. Например: ЗС + СаО = СаС 2 + СО карбид кальция
5. Кокс применяется также для получения кремния:
2С + SiO 2 = Si + 2СО
6. При избытке кокса образуется карбид кремния (карборунд) SiC.
Получение «водяного газа» (газификация твердого топлива)
Пропусканием водяного пара через раскаленный уголь получают горючую смесь СО и Н 2 , называемую водяным газом:
С + Н 2 О = СО + Н 2
7. Реакции с окисляющими кислотами.
Активированный или древесный уголь при нагревании восстанавливает анионы NO 3 - и SO 4 2- из концентрированных кислот:
С + 4HNO 3 = СO 2 + 4NO 2 + 2Н 2 О
С + 2H 2 SO 4 = СO 2 + 2SO 2 + 2Н 2 О
8. Реакции с расплавленными нитратами щелочных металлов
В расплавах KNO 3 и NaNO 3 измельченный уголь интенсивно сгорает с образованием ослепительного пламени:
5С + 4KNO 3 = 2К 2 СO 3 + ЗСO 2 + 2N 2
1. Образование солеобразных карбидов с активными металлами.
Значительное ослабление неметаллических свойств у углерода выражается в том, что функции его как окислителя проявляются в гораздо меньшей степени, чем восстановительные функции.
2. Только в реакциях с активными металлами атомы углерода переходят в отрицательно заряженные ионы С -4 и (С=С) 2- , образуя солеобразные карбиды:
ЗС + 4Al = Аl 4 С 3 карбид алюминия
2С + Са = СаС 2 карбид кальция
3. Карбиды ионного типа - очень нестойкие соединения, они легко разлагаются под действием кислот и воды, что свидетельствует о неустойчивости отрицательно заряженных анионов углерода:
Аl 4 С 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4Аl(ОН) 3
СаС 2 + 2Н 2 О = С 2 Н 2 + Са(ОН) 2
4. Образование ковалентных соединений с металлами
В расплавах смесей углерода с переходными металлами образуются карбиды преимущественно с ковалентный типом связи. Молекулы их имеют переменный состав, а вещества в целом близки к сплавам. Такие карбиды отличаются высокой устойчивостью, они химически инертны по отношению к воде, кислотам, щелочам и многим другим реагентам.
5. Взаимодействие с водородом
При высоких Т и Р, в присутствии никелевого катализатора, углерод соединяется с водородом:
С + 2Н 2 → СН 4
Реакция очень обратима и не имеет практического значения.
Оксид углерода(II) – СО
(угарный газ , окись углерода , монооксид углерода )
Физические свойства: бесцветный ядовитый газ без вкуса и запаха, горит голубоватым пламенем, легче воздуха, плохо растворим в воде. Концентрация угарного газа в воздухе 12,5-74 % взрывоопасна.
Получение:
1) В промышленности
C + O 2 = CO 2 + 402 кДж
CO 2 + C = 2CO – 175 кДж
В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар:
С + Н 2 О = СО + Н 2 – Q,
смесь СО + Н 2 – называется синтез – газом .
2) В лаборатории - термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H 2 SO 4 (конц.):
HCOOH t˚C, H2SO4 → H 2 O + CO
H 2 C 2 O 4 t˚C,H2SO4 → CO + CO 2 + H 2 O
Химические свойства:
При обычных условиях CO инертен; при нагревании – восстановитель;
CO - несолеобразующий оксид .
1) с кислородом
2C +2 O + O 2 t ˚ C → 2C +4 O 2
2) с оксидами металлов CO + Me x O y = CO 2 + Me
C +2 O + CuO t ˚ C → Сu + C +4 O 2
3) с хлором (на свету)
CO + Cl 2 свет → COCl 2 (фосген – ядовитый газ)
4)* реагирует с расплавами щелочей (под давлением)
CO + NaOH P → HCOONa (формиат натрия)
Влияние угарного газа на живые организмы:
Угарный газ опасен, потому что он лишает возможности кровь нести кислород к жизненно важным органам, таким как сердце и мозг. Угарный газ объединяется с гемоглобином, который переносит кислород к клеткам организма, в следствии чего тот становится непригодным для транспортировки кислорода. В зависимости от вдыхаемого количества, угарный газ ухудшает координацию, обостряет сердечно-сосудистые заболевания и вызывает усталость, головную боль, слабость, Влияние угарного газа на здоровье человека зависит от его концентрации и времени воздействия на организм. Концентрация угарного газа в воздухе более 0,1% приводит к смерти в течение одного часа, а концентрация более 1,2% в течении трех минут.
Применение оксида углерода:
Главным образом угарный газ применяют, как горючий газ в смеси с азотом, так называемый генераторный или воздушный газ, или же в смеси с водородом водяной газ. В металлургии для восстановления металлов из их руд. Для получения металлов высокой чистоты при разложении карбонилов.
Оксид углерода (IV) СO2 – углекислый газ
Физические свойства: 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.
Строение молекулы:
Углекислый газ имеет следующие электронную и структурную формулы -
3. Сгорание углеродсодержащих веществ:
СН 4 + 2О 2 → 2H 2 O + CO 2
4. При медленном окислении в биохимических процессах (дыхание, гниение, брожение)
Химические свойства:
Углерод в виде древесного угля известен человеку с незапамятных времен, поэтому, о дате его открытия говорить не имеет смысла. Собственно свое название "углерод" получил в 1787 году, когда была опубликована книга "Метод химической номенклатуры", в которой вместо французского названия «чистый уголь» (charbone pur) появился термин «углерод» (carbone).
Углерод обладает уникальной способностью образовывать полимерные цепочки неограниченной длины, порождая тем самым огромный класс соединений, изучением которых занимается отдельный раздел химии - органическая химия. Органические соединения углерода лежат в основе земной жизни, поэтому, о важности углерода, как химического элемента, говорить не имеет смысла - он основа жизни на Земле.
Сейчас рассмотрим углерод с точки зрения неорганической химии.
Рис. Строение атома углерода
.
Электронная конфигурация углерода - 1s 2 2s 2 2p 2 (см. Электронная структура атомов). На внешнем энергетическом уровне у углерода находятся 4 электрона: 2 спаренных на s-подуровне + 2 неспаренных на p-орбиталях. При переходе атома углерода в возбужденное состояние (требует энергетических затрат) один электрон с s-подуровня "покидает" свою пару и переходит на p-подуровень, где имеется одна свободная орбиталь. Т. о., в возбужденном состоянии электронная конфигурация атома углерода приобретает следующий вид: 1s 2 2s 1 2p 3 .
Рис. Переход атома углерода в возбужденное состояние.
Такая "рокировка" существенно расширяет валентные возможности атомов углерода, которые могут принимать степень окисления от +4 (в соединениях с активными неметаллами) до -4 (в соединениях с металлами).
В невозбужденном состоянии атом углерода в соединениях имеет валентность 2, например, CO(II), а в возбужденном - 4: CO 2 (IV).
"Уникальность" атома углерода заключается в том, что на его внешнем энергетическом уровне находятся 4 электрона, поэтому, для завершения уровня (к чему, собственно, стремятся атомы любого химического элемента) он может с одинаковым "успехом", как отдавать, так и присоединять электроны с образованием ковалентных связей (см. Ковалентная связь).
Как простое вещество углерод может находиться в виде нескольких аллотропных модификаций:
Рис. Кристаллическая решетка алмаза.
Свойства алмаза :
Рис. Тетраэдр алмаза.
Исключительная твердость алмаза объясняется строением его кристаллической решетки, которая имеет форму тетраэдра - в центре тетраэдра находится атом углерода, который связан равноценно прочными связями с четырьмя соседними атомами, образующими вершины тетраэдра (см. рисунок выше). Такая "конструкция" в свою очередь связана с соседними тетраэдрами.
Рис. Кристаллическая решетка графита.
Свойства графита:
В графите атомы углерода образуют правильные шестиугольники, лежащие в одной плоскости, организованные в бесконечные слои.
В графите химические связи между соседними атомами углерода образованы за счет трех валентных электронов каждого атома (изображены синим цветом на рисунке ниже), при этом четвертый электрон (изображен красным цветом) каждого атома углерода, расположенный на p-орбитали, лежащей перпендикулярно плоскости слоя графита, не участвует в образовании ковалентных связей в плоскости слоя. Его "предназначение" заключается в другом - взаимодействуя со своим "собратом", лежащим в соседнем слое, он обеспечивает связь между слоями графита, а высокая подвижность p-электронов обусловливает хорошую электропроводность графита.
Рис. Распределение орбиталей атома углерода в графите.
Рис. Кристаллическая решетка фуллерена.
Свойства фуллерена:
Свойства карбина:
При нормальных условиях углерод является инертным веществом, но при нагревании может реагировать с разнообразными простыми и сложными веществами.
Выше уже было сказано, что на внешнем энергетическом уровне углерода находится 4 электрона (ни туда, ни сюда), поэтому углерод может, как отдавать электроны, так и принимать их, проявляя в одних соединениях восстановительные свойства, а в других - окислительные.
Углерод является восстановителем в реакциях с кислородом и другими элементами, имеющими более высокую электроотрицательность (см. таблицу электроотрицательности элементов):
Углерод проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:
Углерод получают термическим разложением его соединений или пиролизом метана (при высокой температуре):
CH 4 = C + 2H 2 .
Соединения углерода нашли самое широкое применение в народном хозяйстве, перечислить все их не представляется возможным, укажем только некоторые:
(IV ) (СО 2 , диоксид углерода, углекислый газ) представляет собой бесцветный газ без вкуса и запаха, который тяжелее воздуха и растворим в воде .
В обычных условиях твердый диоксид углерода переходит сразу в газообразное состояние, минуя состояние жидкости.
При большом количестве оксид углерода люди начинают задыхаться. Концентрация более 3% приводит к учащенному дыханию, а свыше 10 % наблюдается потеря сознания и смерть.
Оксид углерода - это ангидрид угольной кислоты Н 2 СО 3 .
Если пропускать оксид углерода через гидроксид кальция (известковая вода), то наблюдается выпадение осадка белого цвета:
Ca (OH ) 2 + CO 2 = CaCO 3 ↓ + H 2 O,
Если углекислый газ взят в избытке, то наблюдается образование гидрокарбонатов, которые растворяются в воде:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2 ,
Которые потом распадаются при нагревании:
2KNCO 3 = K 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Используют диоксид углерода в различных областях промышленности. В химическом производстве - как хладагент.
В пищевой промышленности используют его как консервант Е290. Хоть ему и присвоили «условно безопасный», на самом деле это не так. Медики доказали, что частое употребление в пищу Е290 приводит к накоплению токсичного ядовитого соединения. Поэтому надо внимательнее читать этикетки на продуктах.
Задачи: изучить и систематизировать знания об оксидах углерода (II) и (IV); раскрыть взаимосвязь живой и неживой природы; закрепить знания о влиянии оксидов углерода на организм человека; закрепить навыки умения работать с лабораторным оборудованием.
Оборудование: раствор НСl, лакмус, Ca(OH) 2 , CaCO 3 , стеклянная палочка, самодельные таблицы, переносная доска, шаростержневая модель.
ХОД УРОКА
Учитель биологии сообщает тему и задачи урока.
Учитель химии. Основываясь на учении о ковалентной связи, составьте электронную и структурную формулы оксидов углерода (II) и (IV).
Химическая формула оксида углерода (II) – СО, атом углерода находится в нормальном состоянии.
За счет спаривания неспаренных электронов образуются две ковалентные полярные связи, а третья ковалентная связь образуется по донорно-акцепторному механизму. Донором является атом кислорода, т.к. он предоставляет свободную пару электронов; акцептором – атом углерода, т.к. предоставляет свободную орбиталь.
В промышленности оксид углерода (II) получают, пропуская СО 2 над раскаленным углем при высокой температуре. Он образуется также в процессе сгорания угля при недостатке кислорода. (Ученик записывает уравнение реакции на доске )
В лаборатории СО получают действием концентрированной Н 2 SО 4 на муравьиную кислоту. (Уравнение реакции записывает учитель .)
Учитель биологии. Итак, вы познакомились с получением оксида углерода (II). А какими физическими свойствами обладает оксид углерода (II)?
Ученик. Это бесцветный газ, ядовитый, без запаха, легче воздуха, плохо растворяется в воде, температура кипения –191,5 °C, затвердевает при –205 °С.
Учитель химии. Угарный газ в количествах, опасных для жизни человека, содержится в выхлопных газах автомобилей. Поэтому гаражи должны хорошо проветриваться, особенно при запуске двигателя.
Учитель биологии. Какое влияние оказывает угарный газ на организм человека?
Ученик. Угарный газ крайне ядовит для человека – это объясняется тем, что он образует карбоксигемоглобин. Карбоксигемоглобин – очень прочное соединение. В результате его образования гемоглобин крови не взаимодействует с кислородом, и при сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания.
Учитель биологии. Какую первую помощь необходимо оказать человеку при отравлении угарным газом?
Ученики. Надо вызвать «скорую помощь», пострадавшего надо вынести на улицу, сделать искусственное дыхание, помещение хорошо проветрить.
Учитель химии. Напишите химическую формулу оксида углерода (IV) и, используя шаростержневую модель, постройте его структуру.
Атом углерода находится в
возбужденном состоянии. Все четыре ковалентные
полярные связи образовались за счет спаривания
неспаренных электронов. Однако из-за линейного
строения молекула его в целом неполярна.
В промышленности СО 2 получают при
разложении карбоната кальция в производстве
извести.
(Ученик записывает уравнение реакции
.)
В лаборатории СО 2 получают при
взаимодействии кислот с мелом или мрамором.
(Учащиеся выполняют лабораторный опыт.
)
Учитель биологии. В результате каких процессов образуется углекислый газ в организме?
Ученик. Углекислый газ образуется в организме в результате реакций окисления органических веществ, входящих в состав клетки.
(Учащиеся выполняют лабораторный опыт. )
Известковый раствор стал мутным, т.к. образуется карбонат кальция. Кроме процесса дыхания, СО2 выделяется в результате брожения, гниения.
Учитель биологии. Влияет ли физическая нагрузка на процесс дыхания?
Ученик. При чрезмерной физической (мышечной) нагрузке мышцы используют кислород быстрее, чем кровь успевает его доставить, и тогда они синтезируют необходимую для их работы АТФ путем брожения. В мышцах образуется молочная кислота C 3 H 6 O 3 , которая поступает в кровь. Накопление большого количества молочной кислоты вредно для организма. После тяжелой физической нагрузки мы еще некоторое время тяжело дышим – выплачиваем «кислородную задолженность».
Учитель химии. Большое количество оксида углерода (IV) выделяется в атмосферу при сжигании органического топлива. Дома мы в качестве топлива используем природный газ, а он почти на 90% состоит из метана (СН 4). Я предлагаю одному из вас выйти к доске, составить уравнение реакции и разобрать его с точки зрения окисления-восстановления.
Учитель биологии. Почему нельзя использовать газовые печи для отопления помещения?
Ученик.
Метан – составная часть
природного газа. При его горении содержание
углекислого газа в воздухе повышается, а
кислорода – понижается. (Работа с таблицей
«Содержание
СО 2 в воздухе»
.)
При содержании в воздухе 0,3% СО 2 у человека
наблюдается учащенное дыхание; при 10% – потеря
сознания, при 20% – мгновенный паралич и быстрая
смерть. Особенно нуждается в чистом воздухе
ребенок, потому что потребление кислорода
тканями растущего организма больше, чем у
взрослого. Следовательно, необходимо регулярно
проветривать помещение. Если в крови есть
избыток СО 2 , возбудимость дыхательного
центра повышается и дыхание становится более
частым и глубоким.
Учитель биологии. Рассмотрим роль оксида углерода (IV) в жизни растений.
Ученик. У растений образование органических веществ происходит из СО 2 и Н 2 O на свету, кроме органических веществ образуется кислород.
Фотосинтез регулирует содержание углекислого газа в атмосфере, что препятствует повышению температуры на планете. Ежегодно растения поглощают из атмосферы 300 млрд т углекислого газа. В процессе фотосинтеза в атмосферу ежегодно выделяется 200 млрд т кислорода. Из кислорода во время грозы образуется озон.
Учитель химии. Рассмотрим химические свойства оксида углерода (IV).
Учитель биологии.
Какое значение
имеет угольная кислота в организме человека в
процессе дыхания? (Фрагмент диафильма
.)
Содержащиеся в крови ферменты превращают
углекислый газ в угольную кислоту, которая
диссоциирует на ионы водорода и гидрокарбоната.
Если в крови содержится избыток ионов Н + ,
т.е. если кислотность крови повышена, то часть
ионов Н + соединяется с
гидрокарбонат-ионами, образуя угольную кислоту и
освобождая тем самым кровь от избытка Н + -ионов.
Если же в крови слишком мало Н + -ионов, то
угольная кислота диссоциирует и концентрация Н + -ионов
в крови повышается. При температуре 37 °С рН
крови равен 7,36.
В организме углекислый газ переносится кровью в
виде химических соединений – гидрокарбонатов
натрия и калия.
Из предложенных процессов газообмена в легких и тканях выполняющие первый вариант должны выбрать шифры правильных ответов слева, а второй – справа.
(1) Переход O 2 из легких в кровь. (13)
(2) Переход O 2 из крови в ткани. (14)
(3) Переход СO 2 из тканей в кровь. (15)
(4) Переход СO 2 из крови в легкие. (16)
(5) Поглощение O 2 эритроцитами. (17)
(6) Выделение O 2 из эритроцитов. (18)
(7) Превращение артериальной крови в венозную. (19)
(8) Превращение венозной крови в артериальную. (20)
(9) Разрыв химической связи O 2 с
гемоглобином. (21)
(10) Химическое связывание O 2 с гемоглобином.
(22)
(11) Капилляры в тканях. (23)
(12) Легочные капилляры. (24)
1. Процессы газообмена в тканях.
2. Физические процессы при газообмене.
1.
Процессы газообмена в легких.
2. Химические процессы при газообмене
Определите объем оксида углерода (IV), который выделяется при разложении 50 г карбоната кальция.
