Глава III. Неметаллы и их соединения. § 20. Общая характеристика элементов IVA-группы. Углерод — с. 109
§ 20. Проверьте свои знания.
1. Дайте характеристику элемента углерода на основании его положения в Периодической системе Д. И. Менделеева.
1. Дайте характеристику элемента углерода на основании его положения в Периодической системе Д. И. Менделеева.
1) Углерод — химический элемент с порядковым номером 6, символ C, Ar = 12. Расположен во 2-м периоде, в IVA-группе (главной подгруппе IV группы), относится к неметаллам.
2) Строение атома: ₆C: 6 протонов, 6 нейтронов (12 − 6), 6 электронов; электроны распределены по слоям 2ē, 4ē; на внешнем слое 4 электрона (половина октета).
3) Степени окисления: от −4 (CH₄, Al₄C₃) до +4 (CO₂, H₂CO₃), также 0, +2 (CO). Атомы углерода могут как отдавать, так и принимать электроны, поэтому он проявляет и восстановительные, и окислительные свойства.
4) В подгруппе от C к Pb радиус атомов растёт, неметаллические свойства ослабевают: C и Si — неметаллы, Ge — переходный элемент, Sn и Pb — металлы.
5) Высший оксид CO₂ — кислотный; ему соответствует слабая угольная кислота H₂CO₃; летучее водородное соединение — метан CH₄.
2) Строение атома: ₆C: 6 протонов, 6 нейтронов (12 − 6), 6 электронов; электроны распределены по слоям 2ē, 4ē; на внешнем слое 4 электрона (половина октета).
3) Степени окисления: от −4 (CH₄, Al₄C₃) до +4 (CO₂, H₂CO₃), также 0, +2 (CO). Атомы углерода могут как отдавать, так и принимать электроны, поэтому он проявляет и восстановительные, и окислительные свойства.
4) В подгруппе от C к Pb радиус атомов растёт, неметаллические свойства ослабевают: C и Si — неметаллы, Ge — переходный элемент, Sn и Pb — металлы.
5) Высший оксид CO₂ — кислотный; ему соответствует слабая угольная кислота H₂CO₃; летучее водородное соединение — метан CH₄.
§ 20. Проверьте свои знания.
2. Сравните свойства алмаза и графита.
Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода, состоят из одних и тех же атомов, при сгорании дают CO₂, а при нагревании без доступа воздуха при очень высоких температурах и давлении могут превращаться друг в друга (графит → алмаз — при 1500–2000 °C и давлении около 50 000 атм).
Различия обусловлены строением кристаллических решёток. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими и находится в центре тетраэдра, решётка прочная, трёхмерная. В графите атомы лежат в плоских слоях, образуя шестиугольники; связи внутри слоя прочные, а между слоями слабые, поэтому слои легко скользят друг по другу. Отсюда различия: алмаз — самое твёрдое вещество, прозрачный, диэлектрик; графит — мягкий, тёмно-серый, жирный на ощупь, непрозрачный, проводит электрический ток.
Различия обусловлены строением кристаллических решёток. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими и находится в центре тетраэдра, решётка прочная, трёхмерная. В графите атомы лежат в плоских слоях, образуя шестиугольники; связи внутри слоя прочные, а между слоями слабые, поэтому слои легко скользят друг по другу. Отсюда различия: алмаз — самое твёрдое вещество, прозрачный, диэлектрик; графит — мягкий, тёмно-серый, жирный на ощупь, непрозрачный, проводит электрический ток.
§ 20. Проверьте свои знания.
3. Что представляет собой аморфный углерод?
Какие виды такого углерода различают?
Где их применяют?
Аморфный углерод — разновидность углерода, в которой мельчайшие кристаллики графита расположены не упорядоченно, а хаотично (строение близко к графиту, но без дальнего порядка).
Виды аморфного углерода:
1) Сажа — получается разложением природного газа при высокой температуре: CH₄ = C + 2H₂ (t). Применение: наполнитель при изготовлении резины (шины, резиновые изделия чёрные), компонент чёрных красок, в том числе для принтеров, производство химических источников тока.
2) Древесный уголь — образуется при нагревании древесины без доступа воздуха; пористый, обладает адсорбционными свойствами. Активированный уголь применяют для очистки сахарных сиропов, в противогазах и при пищевых отравлениях (таблетки).
3) Кокс — получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха выше 1000 °C; практически чистый углерод, используется в металлургии как восстановитель.
Виды аморфного углерода:
1) Сажа — получается разложением природного газа при высокой температуре: CH₄ = C + 2H₂ (t). Применение: наполнитель при изготовлении резины (шины, резиновые изделия чёрные), компонент чёрных красок, в том числе для принтеров, производство химических источников тока.
2) Древесный уголь — образуется при нагревании древесины без доступа воздуха; пористый, обладает адсорбционными свойствами. Активированный уголь применяют для очистки сахарных сиропов, в противогазах и при пищевых отравлениях (таблетки).
3) Кокс — получается при нагревании каменного угля без доступа воздуха выше 1000 °C; практически чистый углерод, используется в металлургии как восстановитель.
§ 20. Проверьте свои знания.
4. Что такое адсорбция?
Расскажите о применении этого явления (на примере активированного угля).
Адсорбция — способность твёрдого вещества (адсорбента) поглощать на своей поверхности газы и растворённые вещества. Древесный уголь имеет пористую структуру: внутри он пронизан множеством полостей и каналов, поэтому его поверхность очень велика. Для увеличения адсорбционной способности уголь обрабатывают водяным паром — получают активированный уголь.
Применение активированного угля:
1) в сахарном производстве — для очистки сахарных сиропов от красящих примесей;
2) в фильтрующих противогазах — для поглощения отравляющих веществ из воздуха;
3) в медицине — в виде таблеток при пищевых отравлениях (адсорбирует токсины в кишечнике);
4) в бытовых фильтрах для очистки воды и воздуха.
Применение активированного угля:
1) в сахарном производстве — для очистки сахарных сиропов от красящих примесей;
2) в фильтрующих противогазах — для поглощения отравляющих веществ из воздуха;
3) в медицине — в виде таблеток при пищевых отравлениях (адсорбирует токсины в кишечнике);
4) в бытовых фильтрах для очистки воды и воздуха.
§ 20. Проверьте свои знания.
5. Охарактеризуйте химические свойства углерода. Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
При обычных условиях углерод малоактивен (особенно алмаз), при нагревании реакционная способность возрастает. Углерод проявляет и восстановительные, и окислительные свойства.
Восстановитель (C⁰ → C⁺² или C⁺⁴):
1) с кислородом: C + O₂ = CO₂ (t); при недостатке O₂ — 2C + O₂ = 2CO;
2) с оксидами металлов: C + ZnO = Zn + CO↑ (t); 2Fe₂O₃ + 3C = 4Fe + 3CO₂↑ (t);
3) с кислотами-окислителями: C + 2H₂SO₄(конц.) = CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O; C + 4HNO₃(конц.) = CO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O;
4) с оксидом углерода(IV): C + CO₂ = 2CO (t).
Окислитель (C⁰ → C⁻⁴):
5) с металлами (образуются карбиды): 4Al + 3C = Al₄C₃ (t);
6) с кремнием: Si + C = SiC (t) — карборунд;
7) с водородом: C + 2H₂ = CH₄ (t, катализатор).
Восстановитель (C⁰ → C⁺² или C⁺⁴):
1) с кислородом: C + O₂ = CO₂ (t); при недостатке O₂ — 2C + O₂ = 2CO;
2) с оксидами металлов: C + ZnO = Zn + CO↑ (t); 2Fe₂O₃ + 3C = 4Fe + 3CO₂↑ (t);
3) с кислотами-окислителями: C + 2H₂SO₄(конц.) = CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O; C + 4HNO₃(конц.) = CO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O;
4) с оксидом углерода(IV): C + CO₂ = 2CO (t).
Окислитель (C⁰ → C⁻⁴):
5) с металлами (образуются карбиды): 4Al + 3C = Al₄C₃ (t);
6) с кремнием: Si + C = SiC (t) — карборунд;
7) с водородом: C + 2H₂ = CH₄ (t, катализатор).
§ 20. Проверьте свои знания.
6. Какой процесс называют коксованием каменного угля?
Назовите продукты коксохимического производства.
Коксованием каменного угля называют процесс нагревания каменного угля (особых коксующихся сортов) в специальных печах без доступа воздуха до температуры свыше 1000 °C. При этом органические вещества угля разлагаются, кислород и водород, которые содержатся в небольших количествах, выделяются в виде газообразных веществ (углекислого газа, паров воды), а куски угля превращаются в кокс — практически чистый углерод. Кокс используется как восстановитель в металлургии (выплавка чугуна).
Продукты коксохимического производства (рис. 44):
1) кокс;
2) каменноугольная смола — содержит несколько сотен органических соединений (бензол, фенол и др.);
3) аммиачная вода — содержит растворённый аммиак и некоторые другие вещества;
4) коксовый газ — состоит преимущественно из метана (в нём также есть водород и другие газы).
Продукты коксохимического производства (рис. 44):
1) кокс;
2) каменноугольная смола — содержит несколько сотен органических соединений (бензол, фенол и др.);
3) аммиачная вода — содержит растворённый аммиак и некоторые другие вещества;
4) коксовый газ — состоит преимущественно из метана (в нём также есть водород и другие газы).
§ 20. Примените свои знания.
7. Используя метод электронного баланса, определите коэффициенты в схеме реакции
C + HNO₃ → CO₂ + NO₂ + H₂O
Укажите окислитель и восстановитель.
C + HNO₃ → CO₂ + NO₂ + H₂O
Укажите окислитель и восстановитель.
Определяем степени окисления: C⁰ → C⁺⁴; N⁺⁵ → N⁺⁴.
Электронный баланс:
C⁰ − 4ē → C⁺⁴ | 1 — восстановитель (C)
N⁺⁵ + 1ē → N⁺⁴ | 4 — окислитель (HNO₃ за счёт N⁺⁵)
Уравнение: C + 4HNO₃ = CO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O (t)
Проверка: водород слева 4, справа 2 · 2 = 4; кислород слева 12, справа 2 + 8 + 2 = 12.
Окислитель — азотная кислота (N⁺⁵), восстановитель — углерод.
Электронный баланс:
C⁰ − 4ē → C⁺⁴ | 1 — восстановитель (C)
N⁺⁵ + 1ē → N⁺⁴ | 4 — окислитель (HNO₃ за счёт N⁺⁵)
Уравнение: C + 4HNO₃ = CO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O (t)
Проверка: водород слева 4, справа 2 · 2 = 4; кислород слева 12, справа 2 + 8 + 2 = 12.
Окислитель — азотная кислота (N⁺⁵), восстановитель — углерод.
§ 20. Примените свои знания.
8. Напишите уравнения реакций углерода с оксидом меди(II), серой, оксидом свинца(IV), магнием. Определите, какие свойства — окислительные или восстановительные — проявляет углерод в каждой из реакций.
1) С оксидом меди(II): C + 2CuO = 2Cu + CO₂↑ (t)
C⁰ − 4ē → C⁺⁴ | 1; Cu⁺² + 2ē → Cu⁰ | 2. Углерод — восстановитель.
2) С серой: C + 2S = CS₂ (t)
C⁰ − 4ē → C⁺⁴ | 1; S⁰ + 2ē → S⁻² | 2. Сера электроотрицательнее углерода, поэтому углерод — восстановитель.
3) С оксидом свинца(IV): PbO₂ + C = Pb + CO₂↑ (t)
C⁰ − 4ē → C⁺⁴ | 1; Pb⁺⁴ + 4ē → Pb⁰ | 1. Углерод — восстановитель.
4) С магнием: Mg + 2C = MgC₂ (t)
Mg⁰ − 2ē → Mg⁺² | 1; C⁰ + 1ē → C⁻¹ | 2. Углерод — окислитель.
Оговорка: с магнием углерод образует карбиды разного состава (MgC₂, Mg₂C₃); в школьном курсе принимают формулу MgC₂ по аналогии с карбидом кальция CaC₂. Во всех случаях углерод в этой реакции окислитель.
C⁰ − 4ē → C⁺⁴ | 1; Cu⁺² + 2ē → Cu⁰ | 2. Углерод — восстановитель.
2) С серой: C + 2S = CS₂ (t)
C⁰ − 4ē → C⁺⁴ | 1; S⁰ + 2ē → S⁻² | 2. Сера электроотрицательнее углерода, поэтому углерод — восстановитель.
3) С оксидом свинца(IV): PbO₂ + C = Pb + CO₂↑ (t)
C⁰ − 4ē → C⁺⁴ | 1; Pb⁺⁴ + 4ē → Pb⁰ | 1. Углерод — восстановитель.
4) С магнием: Mg + 2C = MgC₂ (t)
Mg⁰ − 2ē → Mg⁺² | 1; C⁰ + 1ē → C⁻¹ | 2. Углерод — окислитель.
Оговорка: с магнием углерод образует карбиды разного состава (MgC₂, Mg₂C₃); в школьном курсе принимают формулу MgC₂ по аналогии с карбидом кальция CaC₂. Во всех случаях углерод в этой реакции окислитель.
§ 20. Примените свои знания.
9. Какая масса кокса (условно чистый углерод) потребуется для получения цинка из 216 т рудного концентрата, содержащего 75 % оксида цинка, если кокс необходимо взять в двукратном избытке?
Дано: m(концентрата) = 216 т; w(ZnO) = 75 % = 0,75; кокс (C) берут в двукратном избытке.
Найти: m(кокса) — ?
Решение:
C + ZnO = Zn + CO↑ (t)
1) m(ZnO) = 216 т · 0,75 = 162 т.
2) M(ZnO) = 65 + 16 = 81 г/моль (81 т/Мегамоль); n(ZnO) = 162 / 81 = 2 Ммоль (2 · 10⁶ моль).
3) По уравнению n(C) = n(ZnO) = 2 Ммоль; M(C) = 12; m(C) по уравнению = 2 · 12 = 24 т.
4) Двукратный избыток: m(кокса) = 24 т · 2 = 48 т.
Ответ: потребуется 48 т кокса.
Найти: m(кокса) — ?
Решение:
C + ZnO = Zn + CO↑ (t)
1) m(ZnO) = 216 т · 0,75 = 162 т.
2) M(ZnO) = 65 + 16 = 81 г/моль (81 т/Мегамоль); n(ZnO) = 162 / 81 = 2 Ммоль (2 · 10⁶ моль).
3) По уравнению n(C) = n(ZnO) = 2 Ммоль; M(C) = 12; m(C) по уравнению = 2 · 12 = 24 т.
4) Двукратный избыток: m(кокса) = 24 т · 2 = 48 т.
Ответ: потребуется 48 т кокса.
§ 20. Используйте дополнительную информацию.
10. Первый в России алмаз был найден 5 июля 1829 г. на Урале в Пермской губернии на Крестовоздвиженском золотом прииске четырнадцатилетним крепостным Павлом Поповым. Прииск был расположен недалеко от посёлка Промыслá Горнозаводского района Пермского края. Найдите это место на сервисе электронных карт, распечатайте карту и спутниковую съёмку окрестностей посёлка Промыслá, определите его географические координаты и расстояние до районного центра Горнозаводска и столицы края Перми.
Порядок выполнения задания:
1) Откройте любой сервис электронных карт, введите в поиск «Промысла, Горнозаводский район, Пермский край», включите режим «Спутник» и распечатайте оба изображения (схему и спутниковый снимок).
2) Координаты определяют по метке или по щелчку правой кнопкой мыши на посёлке: сервис выводит широту и долготу. Посёлок находится на Среднем Урале, в восточной части Горнозаводского района; его координаты приблизительно 58°34′ с. ш. и 59°09′ в. д.
3) Расстояние измеряют инструментом «Линейка» (по прямой) и построением маршрута (по дорогам). Ориентировочно: до Горнозаводска около 52 км по прямой и около 63 км по автодороге; до Перми около 180 км по прямой и около 230 км по автодороге.
4) Вывод для работы: в районе посёлка протекают реки с золотоносными россыпями Западного Урала; именно в таких россыпях вместе с золотом нашли первый в России алмаз, что говорит о перспективности Урала как алмазоносного региона.
Оговорка: расстояния и координаты приблизительные; точные значения нужно снять самостоятельно с карты.
1) Откройте любой сервис электронных карт, введите в поиск «Промысла, Горнозаводский район, Пермский край», включите режим «Спутник» и распечатайте оба изображения (схему и спутниковый снимок).
2) Координаты определяют по метке или по щелчку правой кнопкой мыши на посёлке: сервис выводит широту и долготу. Посёлок находится на Среднем Урале, в восточной части Горнозаводского района; его координаты приблизительно 58°34′ с. ш. и 59°09′ в. д.
3) Расстояние измеряют инструментом «Линейка» (по прямой) и построением маршрута (по дорогам). Ориентировочно: до Горнозаводска около 52 км по прямой и около 63 км по автодороге; до Перми около 180 км по прямой и около 230 км по автодороге.
4) Вывод для работы: в районе посёлка протекают реки с золотоносными россыпями Западного Урала; именно в таких россыпях вместе с золотом нашли первый в России алмаз, что говорит о перспективности Урала как алмазоносного региона.
Оговорка: расстояния и координаты приблизительные; точные значения нужно снять самостоятельно с карты.
§ 20. Используйте дополнительную информацию.
11. Каким образом имя выдающегося русского химика Николая Дмитриевича Зелинского связано с химией углерода?
Какое техническое изобретение было сделано им совместно с инженером Эдуардом Кумматом?
Подготовьте сообщение о принципе действия и устройстве фильтрующего противогаза.
Связь с химией углерода. Н. Д. Зелинский (1861–1953) — один из основоположников органической химии и органического катализа: он изучал углеводороды нефти, разработал способы превращения одних углеводородов в другие (циклоалканов в ароматические — дегидрогенизационный катализ на платине и палладии). В 1915 г. он предложил использовать активированный древесный уголь для поглощения отравляющих веществ.
Изобретение. Во время Первой мировой войны, после газовой атаки хлором, Зелинский создал фильтрующий противогаз с коробкой, заполненной активированным углём. Инженер Э. Куммант разработал резиновый шлем-маску с очками, которая надёжно закрывала лицо; так появился противогаз Зелинского — Кумманта, принятый на вооружение русской армии.
Устройство и принцип действия. Противогаз состоит из шлем-маски (резиновая лицевая часть с очками), соединительной трубки и фильтрующе-поглощающей коробки. В коробке находится слой активированного угля, который адсорбирует пары и газы отравляющих веществ на своей огромной пористой поверхности, и слой химического поглотителя (например, гашёной извести и соды), связывающий кислые газы. Воздух при вдохе проходит через коробку, очищается от ядовитых веществ и попадает в лёгкие; выдыхаемый воздух выходит через клапан выдоха. Фильтрующий противогаз защищает от вредных веществ, но не заменяет кислород, поэтому не пригоден там, где его мало.
Изобретение. Во время Первой мировой войны, после газовой атаки хлором, Зелинский создал фильтрующий противогаз с коробкой, заполненной активированным углём. Инженер Э. Куммант разработал резиновый шлем-маску с очками, которая надёжно закрывала лицо; так появился противогаз Зелинского — Кумманта, принятый на вооружение русской армии.
Устройство и принцип действия. Противогаз состоит из шлем-маски (резиновая лицевая часть с очками), соединительной трубки и фильтрующе-поглощающей коробки. В коробке находится слой активированного угля, который адсорбирует пары и газы отравляющих веществ на своей огромной пористой поверхности, и слой химического поглотителя (например, гашёной извести и соды), связывающий кислые газы. Воздух при вдохе проходит через коробку, очищается от ядовитых веществ и попадает в лёгкие; выдыхаемый воздух выходит через клапан выдоха. Фильтрующий противогаз защищает от вредных веществ, но не заменяет кислород, поэтому не пригоден там, где его мало.
§ 20. Используйте дополнительную информацию.
12. Подготовьте сообщение об одной из аллотропных модификаций углерода — фуллеренах, графене или углеродных нанотрубках.
Графен — одна из новых аллотропных модификаций углерода.
1) Строение: графен — одиночный слой атомов углерода толщиной в один атом, соединённых в плоскую сетку из шестиугольников (как один слой в кристалле графита). Атомы находятся в состоянии sp²-гибридизации.
2) Получение: в 2004 г. А. Гейм и К. Новосёлов (Манчестерский университет) получили графен, отслаивая липкой лентой тонкие слои графита; в 2010 г. им присудили Нобелевскую премию по физике. Существуют промышленные способы — осаждение углерода из газа на металлической подложке.
3) Свойства: самый тонкий и в то же время очень прочный материал (прочнее стали), практически прозрачен, гибкий, имеет очень высокую электро- и теплопроводность.
4) Применение: гибкие сенсорные экраны и электроника, аккумуляторы и суперконденсаторы, прозрачные электроды, композитные материалы, датчики, фильтры для воды.
5) Родственные формы: фуллерены (шарообразные молекулы C₆₀) и нанотрубки (свёрнутый в трубку графеновый слой) тоже состоят только из углерода и отличаются формой молекул.
Оговорка: задание допускает выбор любой из трёх модификаций; приведён один вариант сообщения.
1) Строение: графен — одиночный слой атомов углерода толщиной в один атом, соединённых в плоскую сетку из шестиугольников (как один слой в кристалле графита). Атомы находятся в состоянии sp²-гибридизации.
2) Получение: в 2004 г. А. Гейм и К. Новосёлов (Манчестерский университет) получили графен, отслаивая липкой лентой тонкие слои графита; в 2010 г. им присудили Нобелевскую премию по физике. Существуют промышленные способы — осаждение углерода из газа на металлической подложке.
3) Свойства: самый тонкий и в то же время очень прочный материал (прочнее стали), практически прозрачен, гибкий, имеет очень высокую электро- и теплопроводность.
4) Применение: гибкие сенсорные экраны и электроника, аккумуляторы и суперконденсаторы, прозрачные электроды, композитные материалы, датчики, фильтры для воды.
5) Родственные формы: фуллерены (шарообразные молекулы C₆₀) и нанотрубки (свёрнутый в трубку графеновый слой) тоже состоят только из углерода и отличаются формой молекул.
Оговорка: задание допускает выбор любой из трёх модификаций; приведён один вариант сообщения.
§ 20. Выразите своё мнение.
13. Коксохимическое производство относится к взрывоопасным. Как вы думаете, почему?
Позиция: коксохимическое производство взрывоопасно по нескольким причинам.
1) Основной продукт — коксовый газ: он состоит преимущественно из метана и содержит водород и оксид углерода(II) — горючие газы. В смеси с воздухом они образуют взрывчатые смеси, например 2H₂ + O₂ = 2H₂O, CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O; при малейшей искре смесь взрывается.
2) Каменноугольная пыль и пары органических веществ смолы (бензол, фенол и др.) тоже горючи, а мелкая угольная пыль во взвешенном состоянии взрывается.
3) Процесс идёт при температуре свыше 1000 °C: любое нарушение герметичности печей и газопроводов, попадание воздуха в печь приводят к воспламенению и взрыву.
Кроме того, коксовый газ ядовит (CO), поэтому на таких предприятиях необходимы строгий контроль герметичности, вентиляция и газоанализаторы.
1) Основной продукт — коксовый газ: он состоит преимущественно из метана и содержит водород и оксид углерода(II) — горючие газы. В смеси с воздухом они образуют взрывчатые смеси, например 2H₂ + O₂ = 2H₂O, CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O; при малейшей искре смесь взрывается.
2) Каменноугольная пыль и пары органических веществ смолы (бензол, фенол и др.) тоже горючи, а мелкая угольная пыль во взвешенном состоянии взрывается.
3) Процесс идёт при температуре свыше 1000 °C: любое нарушение герметичности печей и газопроводов, попадание воздуха в печь приводят к воспламенению и взрыву.
Кроме того, коксовый газ ядовит (CO), поэтому на таких предприятиях необходимы строгий контроль герметичности, вентиляция и газоанализаторы.