Углерод и его соединения

Общие сведения об углероде

• Химический символ: C
• Порядковый номер: 6
• Атомная масса: 12
• Положение в ПСХЭ: IV группа (14 группа), главная подгруппа.
• Электронная конфигурация: $1s^2$ $2s^2$ $2p^2$
• Степени окисления: –4 ($CH_4$), +2 (CO), +4 ($CO_2$), 0 (C).

Аллотропия углерода

1. Алмаз

• Прозрачный кристалл, твёрдый, не проводит электричество.
• Структура: каждый атом связан с 4 атомами ($sp^3$-гибридизация).

2. Графит

• Чёрный, мягкий, электропроводный.
• Слоистая структура, $sp^2$-гибридизация.

3. Фуллерены, графен, нанотрубки (современные модификации).

Физические свойства углерода

• Нерастворим в воде.
• Высокая температура плавления и кипения.
• Алмаз — твёрдый; графит — мягкий, электропроводный.

Химические свойства углерода

1. С кислородом:

$C + O_2 \to CO_2$

(избыток $O_2$).

$2C + O_2 \to 2CO$

(недостаток $O_2$).

2. С металлами (карбиды):

$Ca + 2C \to CaC_2$

3. С водородом (при t, катализатор):

$C + 2H_2 \xrightarrow{t, kat} CH_4$

Соединения углерода

Оксид углерода(II) (CO)

• Бесцветный газ, без запаха, ядовитый.
• Получение:

$2C + O_2 \to 2CO$

$Zn + H_2SO_4(конц.) \to ZnSO_4 + CO↑$

• Химические свойства: восстановитель.

$CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2$

Оксид углерода(IV) ($CO_2$)

• Бесцветный газ, тяжелее воздуха.
• Получение:

$C + O_2 \to CO_2$

$CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$

• Свойства:

• С водой:

$CO_2 + H_2O ⇌ H_2CO_3$

• С основаниями:

$CO_2 + 2NaOH \to Na_2CO_3 + H_2O$

$CO_2 + NaOH \to NaHCO_3$

• Реакция с известковой водой (качественная реакция на $CO_2$):

$Ca(OH)_2 + CO_2 \to CaCO_3↓ + H_2O$

(мутнеет).

Карбоновые кислоты ($H_2CO_3$)

• Слабая, двухосновная кислота.
• Образует соли: карбонаты ($CO_3^2$⁻) и гидрокарбонаты ($HCO_3$⁻).

Карбиды

• Ионные: $CaC_2$ (при взаимодействии с водой выделяет ацетилен).

$CaC_2 + 2H_2O \to C_2H_2 + Ca(OH)_2$

• Ковалентные: SiC (карборунд, твёрдый абразив).

Получение углерода и его соединений

• C: кокс, древесный уголь.
• CO: при недостатке кислорода.
• $CO_2$: горение, разложение карбонатов.

Применение

• Уголь: топливо, восстановитель.
• Алмаз: абразивы, резка.
• Графит: электроды, смазки.
• CO: восстановитель в металлургии.
• $CO_2$: газировка, огнетушители, хладоагент.
• $CaC_2$: получение ацетилена.

Важные реакции для ОРТ

1. $C + O_2 \to CO_2$
2. $2C + O_2 \to 2CO$
3. $CO + Fe_2O_3 \to 2Fe + 3CO_2$
4. $CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2$
5. $CO_2 + Ca(OH)_2 \to CaCO_3↓ + H_2O$
6. $CaC_2 + 2H_2O \to C_2H_2 + Ca(OH)_2$