§ 46. Углерод. Неорганические соединения углерода

Определения и обозначения

Аллотропия углерода — существование одного элемента в виде простых веществ с разным строением и свойствами. К его аллотропным формам относятся алмаз, графит, фуллерены и графен. Это понятие помогает объяснить, почему вещества с одинаковым химическим составом могут быть твёрдыми, мягкими или проводить электрический ток по-разному.

Оксид углерода(II), или CO, — нейтральный оксид, в котором углерод имеет степень окисления +2. Это бесцветный газ без запаха, плохо растворимый в воде; он очень токсичен, потому что связывается с гемоглобином крови и мешает переносу кислорода. CO также выступает восстановителем: отнимает кислород у некоторых веществ, например оксидов металлов.

Оксид углерода(IV), или CO₂, — кислотный оксид с углеродом в степени окисления +4. Его молекула линейная, O=C=O; газ бесцветен, не горит и плотнее воздуха. CO₂ реагирует с водой, основными оксидами и щелочами, поэтому его свойства связывают с кислотами и их солями.

Карбонаты — соли угольной кислоты H₂CO₃, содержащие карбонат-ион CO₃²⁻; примеры — Na₂CO₃ и CaCO₃. Большинство карбонатов в воде нерастворимо, но соли щелочных металлов и аммония обычно растворимы. Характерная проверка — действие кислоты: при реакции карбоната выделяется CO₂, что позволяет распознать эту группу солей.

Как это устроено

Углерод находится в 14-й группе и имеет четыре электрона на внешнем энергетическом уровне: 2s²2p². Чтобы достичь устойчивого состояния, он может образовывать четыре ковалентные связи — отсюда его обычная валентность IV и способность строить цепи и кольца. Степень окисления зависит от того, с какими атомами связан углерод: в CO она +2, а в CO₂ +4; в разных соединениях возможны и другие значения.

Алмаз, графит, фуллерены и графен различаются не составом, а расположением атомов и характером связей. В алмазе каждый атом соединён с четырьмя соседями в жёсткую пространственную сеть, поэтому кристалл очень твёрдый. В графите атомы связаны в плоские шестигранные слои, которые слабо сцеплены друг с другом; электроны в слоях подвижны, поэтому графит мягок и проводит ток. Графен — отдельный слой такой структуры, а фуллерены состоят из замкнутых молекул-полых каркасов.

При горении углерод соединяется с кислородом, а результат зависит от его количества. Если кислорода достаточно, происходит полное окисление: C + O₂ → CO₂. При недостатке кислорода атомам не хватает его для полного окисления, и образуется CO: 2C + O₂ → 2CO. Поэтому угарный газ может возникать при неполном сгорании топлива, например в неисправной печи.

В CO углерод имеет степень окисления +2 и может окислиться до +4, передав электроны другому веществу. Поэтому CO восстанавливает некоторые оксиды металлов: CuO + CO → Cu + CO₂. CO₂, напротив, уже содержит углерод в высокой степени окисления +4 и проявляет свойства кислотного оксида. С водой устанавливается равновесие CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃, а с основным оксидом и щёлочью образуются соли: CO₂ + CaO → CaCO₃; CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O.

Угольная кислота слабая и неустойчивая: она существует в равновесии с растворёнными CO₂ и водой. При замещении одного или двух её атомов водорода металлом образуются гидрокарбонаты, например NaHCO₃, или карбонаты, например Na₂CO₃. Многие карбонаты при нагревании разлагаются с выделением CO₂, например CaCO₃ → CaO + CO₂; при действии кислоты углекислый газ выделяется по другой характерной реакции: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O.

Углерод и его основные неорганические соединения

Сначала сравнивайте формулу и степень окисления углерода, чтобы не смешать свойства CO и CO₂. Затем определяйте класс вещества: он помогает предсказать типичные реакции. Сведения о растворимости и разложении пригодятся при выборе способа распознавания и получения соединения.

Разбор задач

1. Степени окисления и классы веществ. Определите степени окисления углерода и класс веществ в CO, CO₂, H₂CO₃, Na₂CO₃ и NaHCO₃.

1. В CO кислород имеет −2, поэтому углерод имеет +2: x − 2 = 0. CO — нейтральный оксид.
2. В CO₂ сумма степеней окисления равна нулю: x + 2 · (−2) = 0, значит, C имеет +4. Это кислотный оксид.
3. В H₂CO₃: 2 · (+1) + x + 3 · (−2) = 0, поэтому C имеет +4; H₂CO₃ — кислота. В Na₂CO₃: 2 · (+1) + x + 3 · (−2) = 0, C имеет +4; это средняя соль.
4. В NaHCO₃ сумма равна нулю: (+1) + (+1) + x + 3 · (−2) = 0, следовательно, C имеет +4. NaHCO₃ — кислая соль, гидрокарбонат.

Ответ: CO — C(+2), нейтральный оксид; CO₂ — C(+4), кислотный оксид; H₂CO₃ — C(+4), кислота; Na₂CO₃ — C(+4), средняя соль; NaHCO₃ — C(+4), кислая соль.

2. Цепочка C → CO → CO₂ → CaCO₃ → CaCl₂. Нужно записать уравнения и указать условия и тип превращений.

1. Получаем CO при недостатке кислорода: 2C + O₂ → 2CO. Это реакция горения (окисления) углерода.
2. Окисляем CO избытком кислорода: 2CO + O₂ → 2CO₂. Это реакция окисления и горения.
3. Пропускаем CO₂ через раствор Ca(OH)₂: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O. Кислотный оксид реагирует с основанием с образованием соли и воды.
4. Добавляем к карбонату соляную кислоту: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O. Это реакция обмена с выделением газа.

Ответ: цепочка составляется из четырёх уравнений выше; для первого этапа нужен недостаток кислорода, для второго — его избыток, третий проводят с известковой водой, четвёртый — с HCl.

3. Разложение 20,0 г CaCO₃ и поглощение CO₂. Найдите объём углекислого газа при нормальных условиях и объём 10%-ного раствора NaOH. Для численного ответа на вторую часть принимаем образование Na₂CO₃ и плотность раствора 1,11 г/мл.

1. Уравнение разложения: CaCO₃ → CaO + CO₂. Молярная масса CaCO₃ равна 100 г/моль, поэтому n(CaCO₃) = 20,0 / 100 = 0,200 моль.
2. По уравнению 1 моль CaCO₃ даёт 1 моль CO₂, значит, n(CO₂) = 0,200 моль. При нормальных условиях Vₘ = 22,4 л/моль, поэтому V(CO₂) = 0,200 · 22,4 = 4,48 л.
3. Для полного поглощения с образованием карбоната используем CO₂ + 2NaOH → Na₂CO₃ + H₂O. Нужно 0,400 моль NaOH, то есть m(NaOH) = 0,400 · 40 = 16,0 г.
4. Массовая доля NaOH равна 10%, поэтому масса раствора m(р-ра) = 16,0 / 0,10 = 160 г. Его объём V = m/ρ = 160/1,11 ≈ 144 мл.

Ответ: V(CO₂) = 4,48 л; V(10%-ного раствора NaOH) ≈ 144 мл при принятой плотности 1,11 г/мл. Если плотность раствора или продукт поглощения не заданы, объём раствора нельзя определить однозначно: при образовании NaHCO₃ соотношение CO₂ и NaOH будет другим.

Типичные ошибки

CO₂ ошибочно считают горючим по аналогии с углеродом: углерод горит, а его оксид — уже другое вещество. Обычно CO₂ не горит и при тушении вытесняет кислород из зоны пламени, поэтому его используют в огнетушителях. Проверка проста: различайте элемент и соединение по формуле и свойствам. При этом CO₂ не универсально тушит любые материалы: некоторые вещества горят без кислорода.

CO и CO₂ путают из-за похожих названий, хотя их свойства различны. CO — токсичный нейтральный оксид и восстановитель, а CO₂ — кислотный оксид; число в названии показывает число атомов кислорода, а не заряд всего вещества. Чтобы проверить себя, определите степень окисления углерода: в CO она +2, в CO₂ +4. Не ориентируйтесь только на общее слово «оксид».

Запись CO₂ + H₂O → H₂CO₃ без оговорок создаёт впечатление, будто образуется устойчивая сильная кислота. На самом деле угольная кислота слабая и неустойчивая, а в растворе существует равновесие CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃. Равновесную стрелку выбирают, чтобы показать обратимость процесса. Проверяйте запись по свойствам: кислота легко распадается обратно на воду и углекислый газ.

Неверно считать растворимыми все карбонаты: многие из них выпадают в осадок, например CaCO₃. Обычно растворимы карбонаты щелочных металлов и аммония; растворимость конкретной соли проверяют по таблице растворимости. Ошибка возникает, когда свойства одного примера переносят на весь класс. Для самопроверки уточните катион и отличайте растворимость вещества от его реакции с кислотой: нерастворимый карбонат тоже выделяет CO₂ при добавлении кислоты.

Связь с другими темами

Для работы с углеродом нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях, степенях окисления, химической связи и классах неорганических веществ. Эта тема помогает изучать органическую химию, круговорот углерода, металлургию и экологические последствия выбросов CO₂. Карбонаты связывают химию с жёсткостью воды, природными минералами и известковым производством. Реакции карбонат-ионов также используют как качественные реакции, а уравнения служат основой для стехиометрических расчётов.

Что запомнить

• Углерод образует несколько аллотропных форм, различающихся строением и свойствами.
• CO — нейтральный оксид и восстановитель; он очень токсичен.
• CO₂ — кислотный оксид, который реагирует с водой, основными оксидами и щелочами.
• При избытке кислорода углерод сгорает до CO₂, при недостатке — до CO.
• Угольная кислота слабая и неустойчивая.
• Карбонаты реагируют с кислотами с выделением CO₂.
• Большинство карбонатов нерастворимо в воде и разлагается при нагревании.