§ 33. Углерод

Определения и обозначения

Углерод — химический элемент с порядковым номером 6, расположенный во 2-м периоде и 14-й группе периодической системы. В ядре его атома 6 протонов, а в нейтральном атоме вокруг ядра находятся 6 электронов: два на первом уровне и четыре на втором. Четыре электрона внешнего уровня помогают понять, почему углерод образует много прочных связей и входит в состав множества веществ.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, алмаз и графит состоят только из атомов углерода, но атомы соединены в них по-разному. Понятие аллотропии помогает объяснить, почему вещества с одинаковым химическим составом могут заметно отличаться друг от друга.

Алмаз — аллотропная модификация углерода, в которой каждый атом прочно связан с соседними атомами в пространственную структуру. Такая сеть не позволяет частям кристалла легко смещаться, поэтому алмаз очень твёрдый. Электроны заняты в связях и почти не перемещаются по кристаллу, поэтому алмаз практически не проводит электрический ток.

Графит — аллотропная модификация углерода со слоистой структурой. Внутри каждого слоя атомы связаны прочно, но сами слои удерживаются слабее и могут скользить друг относительно друга, поэтому графит мягкий. Часть электронов в его строении способна перемещаться, что объясняет электропроводность графита.

Как это устроено

Положение углерода в периодической системе связано со строением его атома: на внешнем энергетическом уровне у него четыре электрона. Атомам выгодно образовывать устойчивые связи, поэтому углерод может соединяться с другими атомами и с атомами углерода. Связи между углеродными атомами бывают очень прочными, что позволяет создавать длинные цепи и сложные пространственные структуры. Эта способность лежит в основе разнообразия углеродных веществ.

Один и тот же элемент может образовать разные простые вещества, потому что его атомы способны соединяться разными способами. В алмазе они создают единую пространственную сеть, а в графите — плоские слои. В фуллеренах атомы образуют замкнутые полые структуры, похожие на шар или эллипсоид. Если меняется расположение атомов и характер связей, меняются и свойства вещества, хотя химический элемент остаётся тем же.

Строение объясняет не только свойства алмаза и графита, но и применение других форм углерода. Твёрдость алмаза позволяет использовать его в режущих и шлифовальных инструментах, а прозрачные кристаллы применяют в украшениях. Мягкий графит оставляет след на бумаге и подходит для стержней карандашей; его электропроводность полезна в электродах. Фуллерены изучают как материалы с необычным строением, а пористый древесный уголь используют для поглощения веществ.

При взаимодействии с кислородом углерод выделяет тепло, но продукт зависит от того, хватает ли кислорода. При полном сгорании, то есть при избытке кислорода, атомы углерода соединяются с кислородом с образованием углекислого газа CO₂. Если кислорода мало, может образоваться угарный газ CO, в котором на один атом углерода приходится один атом кислорода. CO ядовит, поэтому горение топлива при недостатке воздуха опасно.

При нагревании углерод может отнимать кислород у некоторых оксидов металлов. Оксид при этом теряет кислород, а металл выделяется в виде простого вещества; углерод сам соединяется с кислородом. В таких реакциях углерод выступает восстановителем, потому что помогает восстановиться металлу из оксида, и одновременно окисляется. Эта способность используется для получения ряда металлов из руд.

Аллотропные модификации и формы углерода

Сравнивайте формы углерода прежде всего по строению: именно оно помогает объяснить различия в твёрдости и электропроводности. Столбец с применением показывает, какое свойство оказывается полезным на практике. Помните, что фуллерены и аморфный углерод тоже состоят преимущественно из атомов углерода, хотя их строение отличается от алмазного и графитового.

Разбор задач

Задача 1. Составьте уравнение полного сгорания углерода и расставьте коэффициенты. Нужно определить продукт реакции с избытком кислорода: при полном сгорании образуется CO₂. Коэффициенты выбирают так, чтобы число атомов каждого элемента слева и справа совпадало.

1. Запишем формулы исходных веществ и продукта: C + O₂ → CO₂.
2. Проверим атомы: слева один атом углерода и два атома кислорода, справа также один атом углерода и два атома кислорода.
3. Коэффициенты равны 1, поэтому дополнительных чисел перед формулами не требуется.

Ответ: C + O₂ → CO₂. Уравнение описывает полное сгорание углерода при избытке кислорода. Проверка числа атомов показывает, что уравнение уже уравнено.

Задача 2. Запишите уравнения образования CO₂ и CO при сгорании углерода соответственно в избытке и недостатке кислорода. Сначала запишем формулы веществ, затем сравним число атомов слева и справа. При недостатке кислорода один атом кислорода приходится на одну молекулу CO, поэтому коэффициенты нужно подобрать отдельно.

1. Для избытка кислорода записываем полное сгорание: C + O₂ → CO₂. Слева и справа по одному атому углерода и два атома кислорода.
2. Для недостатка кислорода начинаем с C + O₂ → CO. Чтобы использовать оба атома кислорода, ставим 2 перед CO: C + O₂ → 2CO.
3. Теперь справа два атома углерода, поэтому ставим 2 перед C: 2C + O₂ → 2CO.

Ответ: при избытке кислорода C + O₂ → CO₂; при недостатке кислорода 2C + O₂ → 2CO. В обоих уравнениях число атомов каждого элемента одинаково с двух сторон. CO — ядовитый угарный газ, образующийся при неполном сгорании.

Задача 3. При нагревании прореагировали углерод и оксид меди(II). Запишите уравнение реакции и определите, какое вещество окисляется, а какое восстанавливается. Углерод забирает кислород у оксида металла, поэтому продуктами могут быть медь и углекислый газ. Составим и проверим уравнение с учётом числа атомов.

1. Записываем схему: CuO + C → Cu + CO₂. В CO₂ два атома кислорода, значит, слева нужно взять две формульные единицы CuO: 2CuO + C → Cu + CO₂.
2. Слева теперь два атома меди, поэтому ставим 2 перед Cu: 2CuO + C → 2Cu + CO₂.
3. Углерод и кислород тоже уравнены. Углерод соединяется с кислородом и окисляется, а CuO теряет кислород и восстанавливается до меди.

Ответ: 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Окисляется углерод, а оксид меди(II) восстанавливается; углерод является восстановителем. Проверить вывод можно по переносу кислорода: он переходит от оксида к углероду.

Типичные ошибки

Ошибка 1 — считать алмаз и графит разными химическими элементами. Их внешний вид и свойства сильно отличаются, поэтому кажется, что это разные вещества по составу. Но оба состоят из атомов углерода и являются простыми веществами одного элемента. Проверка: сравните их химический состав, а различие объясняйте аллотропией.

Ошибка 2 — объяснять свойства алмаза и графита только внешним видом. Цвет и блеск сами по себе не объясняют твёрдость или электропроводность. Причина — разное расположение атомов и характер связей: у графита слои могут скользить, а в алмазе образована прочная пространственная сеть. Проверка: связывайте каждое свойство со строением, а не только с тем, как образец выглядит.

Ошибка 3 — записывать для любого горения углерода только CO₂. Так делают, потому что полное сгорание часто приводят как основной пример реакции. При недостатке кислорода образуется CO, поэтому сначала нужно учесть условия горения. Проверка: выясните, кислорода достаточно или мало, и затем уравняйте выбранную реакцию.

Ошибка 4 — путать окислитель и восстановитель в реакции углерода с оксидом металла. Можно решить, что углерод является окислителем, поскольку он взаимодействует с оксидом. На деле углерод принимает кислород и выступает восстановителем, а оксид металла теряет кислород и восстанавливается. Проверка: проследите, какое вещество отдаёт кислород и какое его принимает.

Связь с другими темами

Чтобы изучать углерод, нужно уметь читать периодическую систему, понимать строение атома и отличать простые вещества от химических элементов. Представление о химических связях и кристаллическом строении помогает объяснить свойства алмаза и графита. Реакции углерода с кислородом связаны с темой горения, а восстановление металлов из оксидов — с окислительно-восстановительными реакциями. Эти знания пригодятся при изучении металлургии и получения металлов.

Что запомнить

• Углерод — химический элемент с порядковым номером 6.
• Углерод существует в нескольких аллотропных модификациях.
• Алмаз и графит состоят из атомов углерода, но имеют разное строение и свойства.
• Графит проводит электрический ток, а алмаз практически не проводит.
• При полном сгорании углерода образуется CO₂.
• При недостатке кислорода может образоваться ядовитый CO.
• В реакциях с некоторыми оксидами металлов углерод может быть восстановителем.