Углерод находится в природе, как в свободном состоянии, так и виде соединений. Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. Некоторые из ископаемых углей содержат до 99 % углерода. Кроме ископаемого угля, в недрах Земли находятся большие скопления нефти, представляющие собой в основном смесь углеводородов. Хотя содержание углерода в земной коре мало (0.09 %) , этот элемент, наряду с азотом, серой и фосфором является основой жизни на Земле. По разнообразию своих соединений углерод занимает особое место в химии. В настоящее время число изученных соединений углерода оценивается примерно в 2 млн, тогда как соединения всех остальных элементов, вместе взятые, исчисляются лишь сотнями тысяч.
Алмаз-бесцветное, прозрачное вещество, чрезвычайно сильно преломляющее лучи света. Из всех простых веществ он имеет максимальное число атомов, приходящихся на единицу объема. С этим, а также с большой прочностью связи между атомами углерода связано то, что по твердости алмаз превосходит все известные вещества. Будучи весьма твердым, алмаз в то же время хрупок, и его можно растереть в порошок в стальной ступке. Отшлифованные прозрачные алмазы называются бриллиантами.
Алмаз имеет низкую реакционную способность. Он горит в кислороде только при 8000, превращаясь в двуокись углерода с сильным выделением света (Лавуазье). Кислоты, основания и галогены не реагируют с алмазом, но раствор хлорки (гипохлорита кальция) его окисляет.
При низких температурах уголь и графит относительно инертны, хотя известны случаи самовозгорания больших масс угля. При нагревании их активность увеличивается. Уголь служит хорошим восстановителем, отнимая кислород у оксидов металлов. Таким образом, выплавляют многие металлы
MemOn + n/2C = mMe + n/2CO2
При сгорании на воздухе углерод образует два соединения: углекислый газ CO2 при избытке кислорода
C + O2 = CO2
и угарный газ СО при его недостатке
C + 1/2O2 = CO
Угарный газ не имеет цвета и запаха. При его вдыхании кровь человека насыщается этим газом, что приводит к сильному снижению концентрации кислорода в крови, человек при этом засыпает, и во сне наступает смерть от удушья. Подобные случаи известны жителям загородных домов, где есть печка или банька.
На солнечном свету или в присутствии активного угля (катализатор) оксид углерода непосредственно соединяется с хлором, образуя чрезвычайно ядовитый газ-фосген
СO + Cl2 = COCl2
При пожарах в помещениях из-за недостатка кислорода образуется угарный газ, а из полимерных материалов, содержащих хлор, может выделяться молекулярный хлор. При взаимодействии этих газов при пожаре может образовываться фосген.
При очень высоких температурах углерод соединяется с водородом, серой, кремнием, бором и многими металлами. Соединения металлов с углеродом называются карбидами.
Карбиды — кристаллические тела. Природа химической связи в них может быть различной. Так, многие карбиды металлов главных подгрупп I, II и III групп периодической системы представляют собой солеобразные соединения с преобладанием ионной связи. К их числу относятся карбиды алюминия Al4C3 и кальция СаС2. При взаимодействии с водой эти карбиды (неорганические соединения) дают метан и ацетилен (органические соединения)
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 + 3CH4
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2
При взаимодействии карбида магния Mg2C3 с водой получается более сложное органическое соединение пропин (метилацетилен) СH3-CºCH.
В карбидах кремния SiC и бора B4C связь меду атомами ковалентная. Эти вещества характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью и химической инертностью.
Большинство металлов побочных подгрупп IV-VIII групп образуют карбиды, связь в которых близка к металлической, вследствие чего эти карбиды в некоторых отношениях сходны с металлами, например, обладают значительной электрической проводимостью. Они характеризуются также высокой твердостью и тугоплавкостью; карбиды этой группы применяются в ряде отраслей промышленности.
Большинство ценных свойств чугунов и сталей обусловлены присутствием в них карбида железа Fe3C.
При растворении углекислого газа в воде образуется очень слабая угольная кислота
CO2 + H2O = H2CO3
Равновесие этой реакции сильно сдвинуто влево, лишь очень небольшое количество растворенного углекислого газа превращается в угольную кислоту.
Со слабыми основаниями угольная кислота в большинстве случаев дает только основные соли. Встречающийся в природе минерал — (CuOH)2CO3 (основная соль), называется малахитом. Из солей угольной кислоты в природе распространен карбонат кальция CaCO3. Он встречается в виде известняка, мела и мрамора. В быту хорошо известен карбонат натрия-сода Na2CO3. Сода — один из главных продуктов химической промышленности. Она в больших количествах потребляется стекольной, мыловаренной, целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтяной и другими отраслями промышленности. Карбонат калия, или поташ, К2СО3 применяется для получения мыла, при изготовлении тугоплавкого стекла, в фотографии.
При взаимодействии углекислого газа с аммиаком под давлением получают карбамид (мочевину)
СO2 + 2NH3 = CO(NH2)2 + H2O
Он используется в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения. На основе карбамида получают карбамидные пластики.
Ваша оценка?
