§ 33. Углерод

Определения и обозначения

Аллотропия — способность одного химического элемента образовывать несколько простых веществ с разным строением и свойствами. Например, углерод существует в виде алмаза и графита. Это понятие помогает понять, почему вещества одного состава могут так сильно различаться.

Алмаз — аллотропная форма углерода, в которой каждый атом связан с четырьмя соседними атомами. Возникает прочная объёмная кристаллическая решётка, поэтому алмаз исключительно твёрдый. Свет проходит через достаточно чистый кристалл, что объясняет его прозрачность.

Графит — аллотропная форма углерода со слоистой кристаллической решёткой. Внутри слоя связи прочные, а между слоями слабые, поэтому слои легко смещаются и графит мягкий. Часть электронов может перемещаться по слоям, благодаря чему графит проводит электрический ток.

Адсорбция — удерживание частиц вещества поверхностью другого вещества. Уголь не просто растворяет примесь во всём объёме, а закрепляет её на поверхности пор. Чем больше пор и суммарная поверхность угля, тем эффективнее он очищает воду или воздух.

Как это устроено

Углерод имеет порядковый номер 6, поэтому в его атоме шесть электронов, а на внешнем уровне находятся четыре. Чтобы получить устойчивое состояние, атом может образовывать несколько прочных ковалентных связей с другими атомами. Поэтому углерод соединяется не только с неметаллами, но и сам с собой, создавая цепи, слои и пространственные структуры.

В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя соседями, и связи направлены в разные стороны пространства. Такая решётка равномерно удерживает атомы и сопротивляется деформации, поэтому алмаз очень твёрдый. В графите атом соединён с тремя соседями в плоском слое, а четвёртый электрон становится более подвижным; слабое притяжение между слоями объясняет мягкость и способность проводить ток.

При взаимодействии с кислородом углерод отдаёт электроны и окисляется. Если кислорода достаточно, атомы углерода полностью соединяются с ним и образуется углекислый газ CO₂: C + O₂ → CO₂. При недостатке кислорода окисление неполное, поэтому появляется угарный газ CO: 2C + O₂ → 2CO.

При нагревании углерод способен отнимать кислород у некоторых оксидов металлов. Углерод при этом сам окисляется до CO или CO₂, а ионы металла получают электроны и превращаются в металл. Поэтому углерод называют восстановителем и используют в металлургии, если оксид металла достаточно легко отдаёт кислород.

Активированный уголь получают так, чтобы в нём образовалось множество мелких пор. Даже небольшая масса такого вещества имеет очень большую поверхность, на которой удерживаются молекулы газов и растворённых примесей. Поэтому активированный уголь применяют в фильтрах для воды, при очистке воздуха и в противогазах.

Аллотропные формы углерода и их свойства

Сначала сравнивайте строение веществ, затем связывайте его с наблюдаемыми свойствами. Важно учитывать, что активированный уголь не является отдельной кристаллической аллотропной формой вроде алмаза или графита, а представляет собой пористый углеродный материал.

При выборе применения ищите свойство, которое делает вещество полезным: твёрдость алмаза, проводимость графита или развитая поверхность активированного угля.

Разбор задач

Горение углерода в избытке кислорода

Условие: запишите уравнение горения углерода в избытке кислорода. Избыток кислорода означает, что углерод окислится полностью. Продуктом полного окисления будет CO₂.

1. Записываем схему реакции: C + O₂ → CO₂.
2. Проверяем атомы: слева один атом углерода и два атома кислорода, справа столько же.
3. Коэффициенты уже расставлены: 1 : 1 : 1.

Ответ: C + O₂ → CO₂. Формула показывает, что один атом углерода соединяется с одной молекулой кислорода.

Реакция с оксидом меди(II)

Условие: углерод при нагревании реагирует с CuO, образуются медь и CO₂. Углерод забирает кислород у оксида, поэтому является восстановителем. Сначала составим схему CuO + C → Cu + CO₂.

1. Чтобы получить одну молекулу CO₂, нужны два атома кислорода, значит, слева ставим коэффициент 2 перед CuO.
2. Два атома меди дают две частицы Cu, поэтому перед медью ставим 2.
3. Проверяем углерод: один атом C образует одну молекулу CO₂.

Ответ: 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Уравнение одновременно показывает восстановление меди и окисление углерода.

Расчёт массы меди

Условие: из 12 г углерода получили медь, причём углерод полностью превратился в CO₂. Используем уравнение 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Нужно найти массу меди по количеству вещества углерода.

1. Находим количество углерода: n(C) = m/M = 12 г / 12 г/моль = 1 моль.
2. По уравнению 1 моль C образует 2 моль Cu, значит n(Cu) = 2 моль.
3. Вычисляем массу меди: m(Cu) = nM = 2 моль · 64 г/моль = 128 г.

Ответ: 128 г меди. Расчёт возможен потому, что коэффициенты уравнения задают соотношение количеств веществ.

Типичные ошибки

Ошибка: считать алмаз и графит разными химическими элементами. Так думают из-за их непохожего вида и свойств, но оба вещества состоят только из атомов углерода. Проверка проста: сравните химический состав и вспомните термин аллотропия.

Ошибка: объяснять проводимость графита тем, что он металлический. Графит не является металлом, а ток в нём переносят подвижные электроны слоистой структуры. Проверяйте себя вопросом: какое строение создаёт свободные носители заряда?

Ошибка: при любом горении записывать только CO₂. При нехватке кислорода углерод окисляется неполностью и образуется CO, причём этот газ ядовит. Перед составлением уравнения уточните, достаточно ли кислорода.

Ошибка: путать адсорбцию с поглощением всем объёмом вещества. При адсорбции частицы удерживаются именно поверхностью, а пористость увеличивает её площадь. Для проверки замените уголь на гладкий кусок того же размера: его очищающая способность будет значительно ниже.

Связь с другими темами

Для понимания свойств углерода нужны знания о строении атома, электронных оболочках и периодической системе. Число внешних электронов помогает объяснить способность углерода образовывать прочные связи.

Окислительно-восстановительные реакции понадобятся при разборе взаимодействия углерода с оксидами металлов. По изменению степеней окисления можно определить, кто является восстановителем.

Эти сведения пригодятся при изучении металлургии, где получают металлы из руд, а также круговорота углерода и органических веществ. Оксиды углерода важны для процессов горения и обмена веществ в природе.

Что запомнить

• Углерод образует несколько аллотропных форм.
• Алмаз и графит состоят из атомов одного элемента, но имеют разное строение.
• Алмаз очень твёрдый и не проводит электрический ток.
• Графит мягкий и проводит электрический ток.
• При достатке кислорода углерод сгорает с образованием CO₂.
• Углерод может быть восстановителем в реакциях с некоторыми оксидами металлов.
• Активированный уголь применяют благодаря его высокой адсорбционной способности.