Химия Углерода Курсовая работа Новосадовой Н.И. школа 644

История Углеро́д в виде древесного угля применялся в глубокой древности для выплавки металлов. Издавна известны алмаз и графит. Элементарная природа углерода установлена А. Лавуазье в конце 1780-х годов. Международное название происходит от латинского carbo уголь, связанного с древним корнем kar огонь. графит алмаз

Углерод встречается в природе как в свободном, так и в соединенном состоянии, в весьма различных формах и видах. В свободном состоянии углерод известен по крайней мере в трех видах: в виде угля, графита и алмаза. В состоянии соединений углерод входит в состав так называемых органических веществ, т.е. множества веществ, находящихся в теле всякого растения и животного.

Схемы строения различных модификаций углерода А. Алмаз В. Графит С. Лонсдейлит D. Фуллерен С 60 Е. Фуллерен С 540 F. Фуллерен С 70 G. Аморфный углерод H. Углеродная нанотрубка

Электронная конфигурация атома углерода

Возбужденное состояние атома углерода 6 С* 1S 2 2S 1 2P 3 1S21S2 2S 1 2P 3

sр 3 -Гибридизация Для атома углерода возможны три типа гибридизации (три валентных состояния). sр 3 -Гибридизация - смешение одной 2s- и трех 2р-орбиталей. Все четыре гибридные орбитали строго ориентированы в пространстве под углом 109°28' друг к другу, создавая утолщенными "лепестками" геометрическую фигуру - тетраэдр. Поэтому sp 3 -гибридизованный атом углерода часто называют "тетраэдрическим". Состояние углеродного атома с sp 3 -гибридными орбиталями (первое валентное состояние) характерно для предельных углеводородов - алканов. Схема образования четырех sp3-гибридных орбиталей: а - негибридизованные орбитали атома углерода; б - орбитали атома углерода в состоянии sp3-гибридизации

sр 2 -Гибридизация sр 2 -Гибридизация происходит при смешивании одной s- и двух p-орбиталей. Образуется три гибридные орбитали с осями, расположенными в одной плоскости и направленными к вершинам треугольника под углом 120 градусов. Негибридная p-атомная орбиталь перпендикулярна плоскости и, как правило, участвует в образовании π-связей. Схема образования трех sр2-гибридных орбиталей: a - негибридизованные орбитали атома углерода; б - орбитали атома углерода в состоянии sp2-гибридизации

sр-Гибридизация sр-Гибридизация - смешение одной 2s- и одной 2р-орбитали. Две гибридные орбитали расположены на одной прямой линии под углом 180° друг к другу (рис. 4). Остальные две негибридизованные 2р-орбитали расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях. Состояние атома углерода с sp-гибридными орбиталями (третье валентное состояние) характерно для непредельных углеводородов ацетиленового ряда – алкинов Схема образования двух sp-гибридных орбиталей: а - негибридизованные орбитали атома углерода; б - орбитали атома углерода в состоянии sp-гибридизации

Оксиды Реакционная способность углерода зависит от его модификации, температуры и дисперсности. При низких температурах все формы углерода достаточно инертны, но при нагревании окисляются кислородом воздуха, образуя оксиды: 3C + O 2 = C 3 O 2 субоксид углерода 2С + О 2 = 2СО монооксид углерода, оксид С(II) С + О 2 = СО 2 диоксид углерода, оксид С(IV) Все оксиды углерода имеют линейное строение.

Диоксид углерода, или оксид углерода(IV) CO2 (углекислый газ) образуется при сгорании элементного углерода в избытке кислорода c выделением тепла. образуется также при полном окислении СО, нефтепродуктов, бензина, масел и др. органических соединений. При растворении карбонатов в воде в результате гидролиза также выделяется СО 2 : Этот газ можно получить при газофазном взаимодействии перегретого пара с СО: при сжигании углеводродов и их кислородпроизводных, например:

Многотоннажное производство углекислого газа и оксидов металлов осуществляется в промышленности термическим разложением карбонатов: Углекислый газ – химически неактивное соединение, однако в некоторых случаях он может поддерживать процесс горения, например, магний горит в среде СО2. Материалы, горящие при низких температурах – дерево, нефтепродукты, бумага и др., – не горят в среде СО2. Поэтому, а также из-за большей, чем у воздуха, плотности (СO2 в 1,5 раза тяжелее), углекислый газ используют в огнетушителях. В твердом состоянии СО2 известен как «сухой лед». При высоких концентрациях CO2 опасен для человека, так как блокирует доступ кислорода

Субоксид углерода C 3 O 2 образуется при дегидратации малоновой кислоты над P 4 O 10 : C 3 O 2 имеет неприятный запах, легко гидролизуется, вновь образуя малоновую кислоту.

Карбонаты. Карбонаты образуются при взаимодействии оксидов металлов с CO 2, например, Na 2 O + CO 2 Na 2 CO 3 За исключением карбонатов щелочных металлов, остальные практически нерастворимы в воде, а карбонат кальция частично растворим в угольной кислоте или растворе CO 2 в воде под давлением: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 Углекислый газ реагирует с гидроксидами металлов и их растворами с образованием гидрокарбонатов, например: NaOH + CO 2 NaHCO 3 которые при нагревании разлагаются с выделением СО 2 : 2NaHCO 3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 Карбонат-ион CO 3 2– имеет плоское строение с углом O–C–O, равным 120°, и длиной СО-связи 1,31 Å

Карбиды Углерод образует с металлами, бором и кремнием разнообразные соединения, называемые карбидами. Наиболее активные металлы (IA–IIIA подгрупп) образуют солеподобные карбиды, например Na 2 C 2, CaC 2, Mg 4 C 3, Al 4 C 3. В промышленности карбид кальция получают из кокса и известняка по следующим реакциям: Карбиды неэлектропроводны, почти бесцветны, гидролизуются с образованием углеводородов, например CaC 2 + 2H 2 O = C 2 H 2 + Ca(OH) 2

Заключение Углерод играет огромную роль в жизни человека. Его применения столь же разнообразны, как сам этот многоликий элемент. Углерод является основой всех органических веществ. Любой живой организм состоит в значительной степени из углерода. Углерод основа жизни Углерод в виде ископаемого топлива: угля и углеводородов(нефть, природный газ) один из важнейших источников энергии для человечества. Графит используется в карандашной промышленности. Также его используют в качестве смазки при особо высоких или низких температурах. Алмаз, благодаря исключительной твердости, незаменимый абразивный материал. Кроме этого, ограненные алмазы бриллианты используются в качестве драгоценных камней в ювелирных украшениях. Благодаря редкости, высоким декоративным качествам и стечению исторических обстоятельств, алмаз неизменно является самым дорогим драгоценным камнем.

Задания для самостоятельной работы 1.Объясните способность углерода образовывать большое количество органических соединений. 2.Запишите уравнение химической реакции, с помощью которой можно обнаружить карбонаты. 3.Через известковую воду пропустили оксид углерода (IV). В начале реакции наблюдалось выпадение белого осадка, а затем его растворение. Объясните наблюдаемые явления, запишите уравнения реакций 4.Известно, что оксид углерода (II) проявляет токсичные свойства. Объясните влияние СО на организм человека. 5.Запишите равновесие в растворе угольной кислоты. 6.Запишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить следующие превращения, укажите условия их протекания: С СО СО 2 СаСО 3 СаО СаС 2 С 2 Н 2 C 2 H 4 C 2 H 6 Темы рефератов Углерод – основной элемент живой природы. Фуллерены.

Спасибо