"Химия", Габриелян О.С.
Углерод — химический элемент, атомы которого способны соединяться друг с другом и образовывать вещества с очень разными свойствами. Алмаз, графит и фуллерен состоят из атомов углерода, но различаются их расположением и связями. Поэтому алмаз исключительно твёрдый, а графит проводит электрический ток и оставляет след на бумаге. Углерод важен и в химических реакциях: он горит в кислороде, а при нагревании может восстанавливать металлы из оксидов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, алмаз, графит и фуллерен состоят из атомов углерода, но устроены по-разному. Понятие помогает объяснить, почему один элемент может образовывать вещества с разными характеристиками.
Алмаз — аллотропная модификация углерода, в которой каждый атом образует прочные связи с четырьмя соседними атомами. Такая связь каждого атома с окружающими создаёт прочную пространственную структуру. Этим объясняется высокая твёрдость алмаза.
Графит — аллотропная модификация углерода со слоистым строением, в которой атомы внутри слоёв связаны прочнее, чем между слоями. Слои могут сдвигаться и отделяться друг от друга, а часть электронов перемещается внутри них. Это помогает понять свойства графита и его применение.
Фуллерен — аллотропная модификация углерода, состоящая из замкнутых полых молекул, образованных атомами углерода. Атомы в таких молекулах соединены в каркас, похожий на замкнутую оболочку. Это определение отличает фуллерены от слоистой структуры графита и пространственной структуры алмаза.
Углерод находится в шестой клетке периодической системы, поэтому заряд его ядра равен +6, а в нейтральном атоме шесть электронов. На внешнем уровне расположены четыре электрона: они могут участвовать в образовании связей с другими атомами. Благодаря этому углерод образует прочные связи не только с разными элементами, но и сам с собой. В соединениях углерод проявляет разные степени окисления, например +2 в CO и +4 в CO₂.
Алмаз, графит и другие формы углерода отличаются тем, как атомы соединены и расположены. В алмазе связи направлены между соседними атомами во всех направлениях, формируя твёрдую сеть. В графите атомы собраны в плоские слои; между слоями взаимодействие слабее, поэтому они легко сдвигаются. Различия в устройстве частиц определяют твёрдость, внешний вид и способность проводить электрический ток.
Свойства углеродных форм определяют их применение. Алмаз очень твёрдый, поэтому его используют в режущих и шлифовальных инструментах. Графит проводит ток, что делает его пригодным для электродов, а слабая связь между слоями позволяет им оставлять след на бумаге и облегчает использование графита в карандашных стержнях. Одно и то же вещество не обязано подходить для всех этих задач: важны именно его свойства.
При достатке кислорода углерод сгорает с образованием углекислого газа: C + O₂ → CO₂. Если кислорода недостаточно, часть углерода окисляется не полностью и образуется угарный газ: 2C + O₂ → 2CO. Причина в том, что для образования CO₂ каждому атому углерода нужно больше кислорода, чем для образования CO. Поэтому результат горения зависит от доступа воздуха и соотношения реагентов.
При нагревании углерод может отнимать кислород у оксидов некоторых металлов. Например, в реакции 2CuO + C → 2Cu + CO₂ оксид меди(II) превращается в медь, а углерод соединяется с кислородом. Удаление кислорода из оксида называется восстановлением, а углерод при этом сам окисляется. Так проявляется его способность быть восстановителем.
| Характеристика | Алмаз | Графит | Фуллерен |
|---|---|---|---|
| Строение частиц | Пространственная сеть: каждый атом связан с четырьмя соседями | Слои атомов; внутри слоя связи прочнее, чем между слоями | Замкнутые полые молекулы из атомов углерода |
| Твёрдость и внешний вид | Очень твёрдый, обычно прозрачный | Мягкий, тёмно-серый | Молекулярная форма; свойства зависят от вида фуллерена |
| Электропроводность | Не проводит электрический ток | Проводит электрический ток | Зависит от строения и условий |
| Примеры применения | Режущие и шлифовальные инструменты | Электроды, карандашные стержни | Материалы и исследования в науке и технике |
Сначала сравните строение: оно помогает объяснить свойства, а свойства — применение каждой формы углерода. Например, твёрдость алмаза связана с его прочной пространственной сетью, а мягкость графита — со сдвигом слоёв. Для фуллерена особенно важно помнить, что это отдельные замкнутые молекулы.
Условие. Запишите уравнение полного сгорания углерода и расставьте коэффициенты. Слово «полное» означает, что кислорода достаточно и продуктом будет углекислый газ. Чтобы составить уравнение, сначала запишем формулы реагентов и продукта.
Ответ: C + O₂ → CO₂. Проверка числа атомов по обе стороны подтверждает, что уравнение составлено правильно. Индексы в формулах не меняют.
Условие. Найдите массу CO₂, которая образуется при полном сгорании 12 г углерода. Из уравнения C + O₂ → CO₂ видно, что один моль углерода даёт один моль углекислого газа. Поэтому сначала найдём количество углерода, а затем массу продукта.
Ответ: образуется 44 г углекислого газа. Масса продукта больше массы углерода, потому что кислород тоже входит в состав CO₂. Это согласуется с законом сохранения атомов.
Условие. При нагревании прореагировали 16 г оксида меди(II) с избытком углерода. Найдите массу меди. Записываем уравнение 2CuO + C → 2Cu + CO₂: из двух моль CuO получается два моль Cu. Углерод взят в избытке, поэтому расчёт ведём по CuO.
Ответ: получится 12,8 г меди. Проверьте, что массу вычисляют для меди, а не для всего продукта реакции. Значение молярной массы Cu в школьных расчётах принято равным 64 г/моль.
Алмаз и графит иногда считают разными химическими элементами, потому что они заметно отличаются внешним видом и свойствами. На самом деле оба — простые вещества одного элемента, углерода; различается строение их частиц. Проверьте себя: если в составе указан только углерод, речь идёт о простом веществе углерода, а не о новом элементе.
Ещё одна ошибка — считать, что все аллотропные формы углерода имеют одинаковые свойства. Так думают, если обращают внимание только на общий химический состав и забывают о расположении атомов. Сравните строение: у алмаза пространственная сеть, у графита слои, у фуллерена замкнутые молекулы. Разное строение объясняет различия в твёрдости и проводимости.
При записи горения углерода часто указывают только углекислый газ, не учитывая количество кислорода. CO₂ образуется при достатке кислорода, а при его недостатке возможно образование CO. Чтобы проверить продукт, уточните условия реакции и затем уравняйте число атомов в обеих частях.
Коэффициенты и индексы в формулах нельзя считать взаимозаменяемыми. Коэффициент показывает число частиц вещества и умножает всю формулу, а индекс входит в состав формулы и показывает число атомов элемента в частице. Изменение индекса превращает вещество в другое, поэтому при уравнивании реакции меняют коэффициенты, а не индексы. Проверьте, что формулы исходных веществ и продуктов сохранены.
Для изучения углерода нужны знания о строении атома, химическом элементе и простом веществе. При составлении реакций пригодятся правила записи формул и расстановки коэффициентов: число атомов каждого элемента должно сохраняться. Понятия окисления и восстановления помогают понять, почему углерод может забирать кислород у оксида металла.
Тема пригодится при изучении оксидов углерода и свойств металлов и неметаллов. На примере горения можно сравнивать продукты реакций при разных условиях, а на примере CuO — разбирать восстановление металлов. Уравнения реакций позволяют также решать расчётные задачи с количеством вещества и молярной массой.
Почему алмаз и графит, состоящие из углерода, так сильно различаются по свойствам?
В алмазе атомы образуют прочную пространственную сеть, а в графите — слои, слабо связанные друг с другом. Различное строение частиц приводит к различиям в твёрдости, внешнем виде и электропроводности.
Почему графит проводит электрический ток, а алмаз — нет?
В графите часть электронов может перемещаться внутри слоёв, поэтому вещество проводит ток. В алмазе электроны участвуют в прочных связях между атомами и не могут свободно перемещаться.
При каких условиях при горении углерода образуется угарный газ?
Угарный газ CO может образоваться, когда кислорода недостаточно для полного окисления углерода до CO₂. При ограниченном доступе воздуха углерод сгорает неполно.
Как углерод восстанавливает металл из его оксида?
При нагревании углерод отнимает кислород у некоторых оксидов металлов. Металл выделяется в свободном виде, а углерод соединяется с кислородом и окисляется.
Где в повседневной жизни применяются алмаз и графит?
Алмаз используют в режущих и шлифовальных инструментах благодаря его твёрдости. Графит применяют в электродах и карандашных стержнях: он проводит ток, а его слои легко отделяются и оставляют след.
§ 33. Углерод
