Элементы IV группы главной подгруппы. Углерод. План: Нахождение в природе Электронное строение и положение в ПСХЭ Методы получения: лабораторные и промышленные Аллотропные видоизменения углерода Химические свойства. Карбиды Применение. Токсичность Интересное об углероде.

Нахождение в природе. Среди множества химических элементов, без которых невозможно существование жизни на Земле, углерод является главным. Более 99% углерода в атмосфере содержится в виде углекислого газа. Около 97% углерода в океанах существует в растворённой форме ( ), а в литосфере - в виде минералов. Элементарный углерод присутствует в атмосфере в малых количествах в виде графита и алмаза, а в почве - в форме древесного угля.

Положение в ПСХЭ. Общая характеристика элементов подгруппы углерода. Главную подгруппу IV группы периодической системы Д. И. Менделеева образуют пять элементов - углерод, кремний, германий, олово и свинец. В связи с тем, что от углерода к свинцу радиус атома увеличивается, размеры атомов возрастают, способность к присоединению электронов, а, следовательно, и неметаллические свойства будут ослабевать, легкость же отдачи электронов - возрастать.

Электронное строение В нормальном состоянии элементы этой подгруппы проявляют валентность, равную 2. При переходе в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом одного из s – электронов внешнего слоя в свободную ячейку p – подуровня того же уровня, все электроны наружного слоя становятся не спаренными и валентность при этом возрастает до 4.

Методы получения: лабораторные и промышленные. Углерод Неполное сжигание метана: СН 4 + О 2 = С + 2Н 2 О Оксид углерода (II) В промышленности: Оксид углерода (II) получают в особых печах, называемых газогенераторами, в результате двух последовательно протекающих реакций. В нижней части газогенератора, где кислорода достаточно, происходит полное сгорание угля и образуется оксид углерода (IV): C + O 2 = CO к Дж.

По мере продвижения оксида углерода (IV) снизу вверх последний соприкасается с раскалённым углём: CO 2 + C = CO – 175 к Дж. Получающийся газ состоит из свободного азота и оксида углерода (II). Такая смесь называется генераторным газом. В газогенераторах иногда через раскалённый уголь продувают водяной пар: C + H 2 O = CO + H 2 – Q, «CO + H 2 » - водяной газ. В лаборатории: Действуя на муравьиную кислоту концентрированной серной кислотой, которая связывает воду: HCOOH H 2 O + CO.

Оксид углерода (IV) В промышленности: Побочный продукт при производстве извести: CaCO 3 CaO + CO 2. В лаборатории: При взаимодействии кислот с мелом или мрамором: CaCO 3 + 2HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O. Карбиды Карбиды получают при помощи прокаливания металлов или их оксидов с углём.

Угольная кислота Получают растворением оксида углерода (IV) в воде. Так как угольная кислота очень не прочное соединение, то эта реакция обратима: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3.

Аллотропные видоизменения углерода. Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.

Графит. Мягкий графит имеет слоистое строение. Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском. Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов. Скользок на ощупь. Одно из самых мягких среди твердых веществ. Рис.2 Модель решетки графита.

Алмаз. Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан». Рис.1 Модель решетки алмаза.

Карбин и Зеркальный углерод. Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением более крупных частиц. Карбин - самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. Зеркальный углерод имеет слоистое строение. Одна из важнейших особенностей зеркального углерода (кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д.) - его биологическая совместимость с живыми тканями.

Химические свойства. Щелочи переводят кремний в соли кремниевой кислоты с выделением водорода :Si + 2КОН + H 2 O= К 2 Si Н 2 С водой углерод и кремний реагируют лишь при высоких температурах: С + Н2О ¬ СО + Н2 Si + ЗН2О = Н2SiO3 + 2Н2 Углерод в отличие от кремния непосредственно взаимодействует с водородом: С + 2Н2 = СН4

Карбиды. Соединения углерода с металлами и другими элементами, которые по отношению к углероду являются электроположительными, называются карбидами. При взаимодействии карбида алюминия с водой образуется метан Al 4 C H 2 O = 4Al (OH) 3 + 3CH 4 При взаимодействии с водой карбида кальция – ацетилен: CaC 2 + 2H 2 O = Ca (OH) 2 + C 2 H 2

Применение. Углерод определяется тем, что свыше 90 % всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо. Гидрокарбонат натрия продают в аптеках и продовольственных магазинах под названием питьевой соды.Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении.

Оксид углерода (IV) Получение сахара. Тушение пожаров. Производство фруктовых вод. «Сухой лёд».

Интересный факт. Подземный углерод мог не раз вызвать массовое вымирание на планете и постоянно грозит разразиться новой катастрофой в любой момент. Одно из этих событий произошло 245 миллионов лет назад в конце Пермской эры, которая представляла собой самый трагический случай вымирания фауны в земной хронологии: ископаемые породы свидетельствуют о вымирании тогда около 96% всех морских обитателей. Возможно подобный же случай привел к началу вымирания динозавров задолго до катастрофы с падением астероида 65 миллионов лет.