Химические свойства углерода. При обычных температурах алмаз, графит, уголь химически инертны, но при высоких температурах активность их увеличивается.
Как и следует из строения основных форм углерода, уголь вступает в реакции легче, чем графит и тем более алмаз. Графит не только более реакционноспособен, чем алмаз, но и, реагируя с некоторыми веществами, может образовывать такие продукты, каких не образует алмаз. 1. В качестве окислителя углерод реагирует с некоторыми металлами при высоких температурах, образуя карбиды: ЗС + 4Аl = Аl4С3 (карбид алюминия). 2. С водородом уголь и графит образуют углеводороды.
Простейший представитель – метан СН4 – может быть получен в присутствии катализатора Ni при высокой температуре (600-1000°С): С + 2Н2 СН4. 3. При взаимодействии с кислородом углерод проявляет восстановительные свойства. При полном сгорании углерода любой аллотропной модификации образуется оксид углерода (IV): С + О2 = СО2. При неполном сгорании образуется оксид углерода (II) СО: С + О2 = 2СО. Обе реакции экзотермичны. 4. Особенно ярко восстановительные свойства угля проявляются при взаимодействии с оксидами металлов (цинка, меди, свинца и др.), например: С + 2CuO = СО2↑ + 2Cu, С + 2ZnO = СО2↑ + 2Zn. На этих реакциях основан важнейший процесс металлургии – выплавка металлов из руд. В иных случаях, например при взаимодействии с оксидом кальция, образуются карбиды: СаО + ЗС = СаС2 + СО↑. 5. Уголь окисляется горячими концентрированными серной и азотной кислотами: С + 2Н2SO4 = СO2↑ + 2SO2↑ + 2Н2О, конц. ЗС + 4НNО3 = ЗСО2↑ + 4NO↑ + 2Н2О. конц. Любые формы углерода устойчивы по отношению к щелочам! 1.4. Применение углерода Алмазы используются для обработки различных твердых материалов, для резки, шлифования, сверления и гравировки стекла, для бурения горных пород.
Алмазы после шлифования и огранки превращаются в бриллианты, используемые в качестве украшений. Графит – ценнейший материал для современной промышленности.
Из графита изготавливают литейные формы, плавильные тигли и другие огнеупорные изделия.
Благодаря высокой химической устойчивости графит применяется для изготовления труб и аппаратов, выложенных изнутри графитовыми плитами. Значительные количества графита используют в электротехнической промышленности, например при изготовлении электродов. Графит используется для изготовления карандашей и некоторых красок, в качестве смазочного материала. Очень чистый графит используют в ядерных реакторах для замедления нейтронов. Линейный полимер углерода – карбин – привлекает внимание учёных как перспективный материал для изготовления полупроводников, которые могут работать при высоких температурах, и сверхпрочных волокон.
Древесный уголь используется в металлургической промышленности, в кузнечном деле. Кокс применяется в качестве восстановителя при выплавке металлов из руд. Сажа применяется в качестве наполнителя резин для повышения прочности, поэтому автомобильные шины – чёрного цвета. Используют сажу и как компонент печатных красок, туши, крема для обуви.
Активные угли используются для очистки, извлечения и разделения различных веществ. Активные угли применяются в качестве наполнителей противогазов и как сорбирующее средство в медицине. Глава II. Неорганические соединения углерода Углерод образует два оксида – оксид углерода (II) СО и оксид углерода (IV) СO2. Оксид углерода (II) СО – бесцветный, не имеющий запаха газ, малорастворимый в воде. Его называют угарным газом, так как он очень ядовит.
Попадая при дыхании в кровь, быстро соединяется с гемоглобином, образуя прочное соединение карбоксигемоглобин, лишая тем самым возможности гемоглобин переносить кислород. При вдыхании воздуха, содержащего 0,1% СО, человек может внезапно потерять сознание и умереть. Угарный газ образуется при неполном сгорании топлива, вот почему так опасно преждевременное закрывание дымоходов. Оксид углерода (II) относят, как вы уже знаете, к несолеобразующим оксидам, так как, будучи оксидом неметалла, он должен реагировать со щелочами и основными оксидами с образованием соли и воды, однако этого не наблюдается. 2СО + О2 = 2СО2. Оксид углерода (II) способен отнимать кислород у оксидов металлов, т.е. восстанавливать металлы из их оксидов. Fe2О3 + ЗСО = 2Fe + ЗСО2. Именно это свойство оксида углерода (II) используют в металлургии при выплавке чугуна.
Оксид углерода (IV) СО2 – широко известный под названием углекислый газ – бесцветный, не имеющий запаха газ. Он примерно в полтора раза тяжелее воздуха.
При обычных условиях в 1 объеме воды растворяется 1 объем углекислого газа. При давлении примерно 60 атм углекислый газ превращается в бесцветную жидкость. При испарении жидкого углекислого газа часть его превращается в твердую снегообразную массу, которую в промышленности прессуют, – это известный вам «сухой лед», который применяют для хранения пищевых продуктов. Вы уже знаете, что твердый углекислый газ имеет молекулярную решетку, способен к возгонке. Углекислый газ СО2 – это типичный кислотный оксид: взаимодействует со щелочами (например, вызывает помутнение известковой воды), с основными оксидами и водой. Он не горит и не поддерживает горения и потому применяется для тушения пожаров.
Однако магний продолжает гореть в углекислом газе с образованием оксида и выделением углерода в виде сажи. СО2 + 2Mg = 2MgO + С. Углекислый газ получают, действуя на соли угольной кислоты – карбонаты растворами соляной, азотной и даже уксусной кислот. В лаборатории углекислый газ получают при действии на мел или мрамор соляной кислоты.
СаСО3 + 2НСl = СаСl2 + Н20 + С02↑. В промышленности углекислый газ получают обжигом известняка: СаСО3 = СаО + С02↑. Углекислый газ, кроме уже названной области применения, используют также для изготовления шипучих напитков и для получения соды. При растворении оксида углерода (IV) в воде образуется угольная кислота Н2СО3, которая очень нестойкая и легко разлагается на исходные компоненты – углекислый газ и воду. Как двухосновная кислота, угольная кислота образует два ряда солей: средние — карбонаты, например СаСО3, и кислые — гидрокарбонаты, например Са(НСО3)2. Из карбонатов в воде растворимы только соли калия, натрия и аммония.
Кислые соли, как правило, растворимы в воде. При избытке углекислого газа в присутствии воды карбонаты могут превращаться в гидрокарбонаты. Так, если через известковую воду пропускать углекислый газ, то она сначала помутнеет из-за выпавшего в осадок нерастворимого в воде карбоната кальция, однако при дальнейшем пропускании углекислого газа помутнение исчезает в результате образования растворимого гидрокарбоната кальция: СаСO3 + Н2O + СO2 = Са(НСO3)2. Именно наличием этой соли и объясняется временная жесткость воды. Почему временная? Потому, что при нагревании растворимый гидрокарбонат кальция снова превращается в нерастворимый карбонат: Са(НСO3)2 = СаСO3↓ + Н20 + С02↑. Эта реакция приводит к образованию накипи на стенках котлов, труб парового отопления и домашних чайников, а в природе в результате этой реакции формируются в пещерах свисающие вниз причудливые сталактиты, навстречу которым снизу вырастают сталагмиты.
Другие соли кальция и магния, в частности хлориды и сульфаты, придают воде постоянную жесткость.
Кипячением постоянную жесткость воды устранить нельзя. Приходится использовать другой карбонат – соду. Na2CО3, которая переводит эти ионы Са2+ в осадок, например: СаСl2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2NaCl. Соду можно использовать и для устранения временной жесткости воды. Карбонаты и гидрокарбонаты можно обнаружить с помощью растворов кислот: при действии на них кислот наблюдается характерное «вскипание» из-за выделяющегося углекислого газа. Эта реакция является качественной реакцией на соли угольной кислоты.