§ 33. Углерод

Определения и обозначения

Углерод — химический элемент с порядковым номером 6, обозначается C и находится во 2-м периоде, 14-й группе периодической системы. В ядре его атома 6 протонов, а в нейтральном атоме — 6 электронов. Электроны распределены по слоям как 2, 4, поэтому на внешнем слое находятся четыре электрона. Это помогает понять, почему углерод образует много разных веществ.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ с разным строением и свойствами. Например, алмаз и графит состоят только из атомов углерода, но атомы в них соединены неодинаково. Поэтому простые вещества одного элемента могут выглядеть и вести себя по-разному. Понятие аллотропии позволяет не путать различие веществ с различием самих элементов.

Алмаз — аллотропная форма углерода, в которой атомы соединены в прочную пространственную структуру. Каждый атом связан с четырьмя соседями, а связи образуют устойчивую сеть во всех направлениях. Чтобы деформировать её, нужно нарушить множество прочных связей, поэтому алмаз очень твёрдый. Правильно устроенные кристаллы пропускают свет и могут быть прозрачными.

Графит — аллотропная форма углерода со слоистой структурой. Внутри каждого слоя атомы связаны прочно, но связь между слоями слабее, поэтому они могут скользить друг по другу. Из-за этого графит мягкий и оставляет след на бумаге: его слои отделяются и переносятся на поверхность. Часть электронов в слоях подвижна, поэтому графит проводит электрический ток.

Как это устроено

У атома углерода четыре электрона на внешнем уровне, и для него энергетически выгодно образовать несколько ковалентных связей — связей, возникающих при совместном использовании электронов. Углерод способен связываться как с другими элементами, так и сам с собой. Связи C—C достаточно прочны, чтобы сохраняться в длинных цепях, разветвлённых структурах и кольцах. Поэтому существует огромное число углеродных соединений, а также простых веществ с разными структурами.

Алмаз, графит и другие формы углерода состоят из атомов одного элемента, потому что в них нет атомов другого химического элемента. Отличается не состав, а порядок соединения атомов и устройство кристаллов или молекул. Такая разница меняет свойства вещества: одни формы твёрдые, другие мягкие, некоторые проводят электрический ток. К другим формам углерода относят графен, состоящий из одного слоя графита, и фуллерены — замкнутые молекулы из атомов углерода.

В алмазе связи соединяют атомы в единую трёхмерную сеть, поэтому отдельные слои не могут легко сдвинуться и отделиться. Для царапания или разрушения кристалла приходится преодолевать прочность многочисленных связей — отсюда исключительная твёрдость алмаза. В графите атомы образуют плоские сетки, а между сетками притяжение сравнительно слабое. При трении слои отделяются, прилипают к бумаге и оставляют тёмный след.

При горении углерод соединяется с кислородом, но продукт зависит от того, хватает ли кислорода. При его избытке атом углерода полностью окисляется: C + O₂ → CO₂, образуется углекислый газ. Если кислорода недостаточно, окисление может быть неполным: 2C + O₂ → 2CO, образуется угарный газ. CO ядовит и опасен тем, что его нельзя распознать по запаху, поэтому исправность печей и вентиляции особенно важна.

При нагревании углерод может связывать кислород из оксидов некоторых металлов. В результате металл освобождается, а углерод превращается в оксид; такое удаление кислорода называют восстановлением оксида. Например, при нагревании оксида меди(II) с углеродом получается медь: 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Способ используют в металлургии для получения металлов из руд, однако он подходит не для всех металлов и условий.

Сравнение аллотропных форм углерода

В таблице сопоставлены две наиболее известные формы и приведены примеры других структур углерода. Она помогает отделить общие черты состава от различий, вызванных строением. При выборе применения нужно учитывать не только внешний вид, но и твёрдость, электропроводность и другие свойства.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение реакции полного сгорания углерода и расставьте коэффициенты. При полном сгорании кислорода достаточно, поэтому продуктом будет углекислый газ CO₂. Сначала записываем схему C + O₂ → CO₂, затем проверяем число атомов каждого элемента по обе стороны.

1. Слева один атом C и два атома O; справа в CO₂ также один атом C и два атома O.
2. Число атомов уже совпадает, поэтому коэффициенты перед формулами равны единице и обычно не записываются.

Ответ: C + O₂ → CO₂. Проверка баланса показывает, что уравнение соответствует закону сохранения атомов: ни один атом в реакции не исчезает и не возникает заново.

Задача 2. Запишите реакцию углерода с оксидом меди(II), если образуются медь и углекислый газ. Сначала составим схему: CuO + C → Cu + CO₂. В одной молекуле CO₂ содержатся два атома кислорода, значит, для них нужны две формульные единицы CuO.

1. Ставим коэффициент 2 перед CuO: 2CuO + C → Cu + CO₂. Теперь слева два атома Cu, поэтому ставим 2 перед Cu справа.
2. Проверяем остальные атомы: два O входят в CO₂, а один C слева соответствует одному C в CO₂.
3. Уравнение описывает окислительно-восстановительную реакцию: углерод принимает кислород, а медь в оксиде превращается в простое вещество.

Ответ: 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Проверка коэффициентов особенно важна в реакциях восстановления: она подтверждает сохранение числа атомов меди, кислорода и углерода.

Задача 3. При неполном сгорании 12 г углерода образовался CO. Найдите объём газа при нормальных условиях. Уравнение реакции 2C + O₂ → 2CO показывает, что количество вещества C и CO соотносится как 1:1. Поэтому сначала находим количество углерода, а затем используем молярный объём газа 22,4 л/моль.

1. Находим количество углерода: n(C) = m/M = 12 г / 12 г/моль = 1 моль.
2. По уравнению реакции n(CO) = n(C) = 1 моль.
3. Вычисляем объём: V(CO) = n · Vₘ = 1 моль · 22,4 л/моль = 22,4 л.

Ответ: при нормальных условиях образуется 22,4 л CO. В расчётах нужно использовать именно уравнение неполного сгорания, поскольку при недостатке кислорода получается не CO₂, а CO.

Типичные ошибки

Ошибка — считать алмаз и графит разными химическими элементами. Их могут так воспринимать из-за заметно различающихся твёрдости, цвета и применения, но оба вещества состоят только из атомов углерода. Проверка простая: если состав включает атомы одного элемента, перед нами его простое вещество, а различия структуры означают аллотропию.

Нельзя путать угарный газ CO и углекислый газ CO₂: это разные вещества с разными свойствами и опасностью. Путаница возникает из-за похожих названий и того, что оба газа содержат углерод и кислород. Сверьте формулу и условия: CO₂ образуется при полном сгорании, а токсичный CO — при неполном.

Неверно утверждать, что углерод при горении всегда даёт только CO₂. Такое предположение обычно делают, запоминая лишь реакцию полного сгорания и не учитывая количество кислорода. Перед записью продукта определите условие: при достатке кислорода пишите CO₂, при недостатке возможно образование CO.

При восстановлении оксида нельзя оставлять уравнение без проверки коэффициентов. Ошибку допускают, когда подбирают формулы продуктов, но забывают, что в CO₂ на один атом углерода приходится два атома кислорода. Пересчитайте атомы каждого элемента слева и справа; например, в реакции 2CuO + C → 2Cu + CO₂ их число совпадает.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, химическом элементе и простом веществе, а также об аллотропии кислорода. Эти понятия помогают отличать состав вещества от его структуры и свойств. Далее свойства углерода пригодятся при изучении оксидов и окислительно-восстановительных реакций. Восстановление металлов углеродом связывает химию с получением металлов из руд, а сравнение алмаза и графита показывает, как строение определяет применение материалов.

Что запомнить

• Углерод — химический элемент с порядковым номером 6.
• Алмаз и графит — аллотропные формы углерода.
• Различия свойств алмаза и графита обусловлены различиями их строения.
• При полном сгорании углерода образуется CO₂.
• При недостатке кислорода может образоваться ядовитый CO.
• При нагревании углерод способен восстанавливать некоторые металлы из оксидов.