§ 32. Химические свойства углерода. Адсорбция

Определения и обозначения

Адсорбция — поглощение вещества поверхностью другого вещества. Частицы при этом задерживаются на границе двух веществ, а не распределяются по всему объёму поглотителя. Это различие помогает понять, почему для очистки важна именно площадь поверхности.

Адсорбент — вещество, на поверхности которого происходит адсорбция. Он удерживает частицы некоторых веществ, соприкасающихся с ним. По свойствам адсорбента можно судить, какие примеси он способен задержать.

Активированный уголь — пористый углеродный адсорбент с большой площадью поверхности. Многочисленные поры создают большую поверхность для контакта с частицами примесей. Поэтому его применяют как фильтрующий материал при очистке.

Карбид — соединение углерода с металлом или другим элементом. Один из примеров — карбид кальция CaC₂, состоящий из кальция и углерода. Это понятие нужно, чтобы называть продукты реакций углерода с металлами.

Как это устроено

Углерод существует в нескольких аллотропных формах — разновидностях одного элемента, отличающихся строением. В разных формах атомы соединены и расположены по-разному, поэтому неодинаковы прочность, твёрдость и другие свойства веществ. Например, алмаз и графит состоят из углерода, но их свойства и применение различаются именно из-за строения.

При взаимодействии с кислородом углерод окисляется, то есть соединяется с кислородом. Если кислорода достаточно, каждый атом углерода может полностью перейти в углекислый газ: C + O₂ → CO₂. При недостатке кислорода окисление идёт не полностью, и образуется угарный газ: 2C + O₂ → 2CO. Поэтому результат горения зависит не только от вещества, но и от условий.

При сильном нагревании углерод может реагировать с некоторыми металлами и образовывать карбиды. Например, кальций соединяется с углеродом по уравнению Ca + 2C → CaC₂. Нагревание помогает частицам вступить в реакцию, а соотношение атомов в формуле продукта отражает состав образовавшегося соединения.

Углерод при нагревании способен отнимать кислород у оксидов металлов. Например, в реакции 2CuO + C → 2Cu + CO₂ медь освобождается из оксида и восстанавливается, а углерод соединяется с кислородом и окисляется. Так проявляется восстановительная способность углерода: он помогает получить металл из некоторых его оксидов.

Активированный уголь содержит множество пор, поэтому его поверхность велика по сравнению с размером кусочка. Частицы некоторых примесей соприкасаются с этой поверхностью и удерживаются на ней, а не остаются в воде или воздухе. Такой способ очистки применяют потому, что пористый адсорбент может задержать много частиц без необходимости распределять их по всему объёму угля.

Химические свойства углерода и адсорбция

В таблице сопоставлены условия реакций и то, к какому результату они приводят. Начинайте разбор с условий: особенно важно выяснить, достаточно ли кислорода и требуется ли нагревание. Последняя строка описывает не химическое уравнение, а процесс удерживания частиц на поверхности.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение полного сгорания углерода и назовите образующийся продукт. В условии подразумевается, что кислорода достаточно, поэтому нужно выбрать продукт полного окисления. Затем проверьте, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.

1. При полном сгорании углерода образуется CO₂.
2. Записываем исходную схему: C + O₂ → CO₂.
3. Проверяем баланс: по одному атому углерода и по два атома кислорода с каждой стороны.

Ответ: C + O₂ → CO₂; образуется углекислый газ.

Задача 2. Составьте уравнение реакции углерода с оксидом меди(II) при нагревании и укажите, какое вещество восстанавливается. Сначала определите, что углерод забирает кислород у оксида, а значит, медь должна выделиться как простое вещество. После этого уравняйте атомы кислорода, углерода и меди.

1. Записываем вещества: CuO + C → Cu + CO₂.
2. Чтобы получить две молекулы CO₂ по атомам кислорода, ставим коэффициент 2 перед CuO: 2CuO + C → Cu + CO₂.
3. Уравниваем медь: 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Медь в оксиде восстанавливается, а углерод окисляется.

Ответ: 2CuO + C → 2Cu + CO₂; восстанавливается медь в составе оксида меди(II).

Задача 3. Объясните, почему активированный уголь используют для очистки воды, и отличите этот процесс от поглощения вещества всем объёмом жидкости. Нужно связать действие угля с его строением и точно указать, где задерживаются частицы примесей. Это позволяет не смешивать два разных способа поглощения.

1. У активированного угля много пор, поэтому у него большая площадь поверхности.
2. Частицы некоторых примесей удерживаются на поверхности угля, когда вода с ним соприкасается.
3. Это адсорбция; при поглощении всем объёмом вещество распределялось бы внутри другого вещества, а не только на поверхности.

Ответ: уголь очищает воду благодаря адсорбции примесей на большой пористой поверхности; это не поглощение всем объёмом.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что при любом горении углерода образуется только CO₂. Так думают, потому что при полном сгорании действительно получается углекислый газ, но забывают об условиях. Проверьте, указан ли избыток кислорода: при его недостатке может образоваться CO.

Ошибка: говорить, что углерод восстанавливается, когда он восстанавливает оксид металла. Здесь путают название процесса с тем, кто его вызывает. Проследите за превращениями: углерод соединяется с кислородом и окисляется, а металл в оксиде восстанавливается.

Ошибка: называть адсорбцию поглощением всем объёмом вещества. Это происходит из-за общего слова «поглощение», хотя место процесса разное. Для проверки спросите себя, где находятся частицы: на поверхности адсорбента или внутри всего объёма вещества.

Ошибка: считать, что адсорбент химически связывает любое вещество. Такое предположение кажется правдоподобным, потому что примеси исчезают с поверхности очищаемой среды. Но адсорбция обычно означает удерживание частиц на поверхности, и она не подходит для любых веществ; проверяйте, идёт ли речь о поверхностном удерживании, а не о химической реакции.

Связь с другими темами

Для понимания реакций углерода нужны знания о составе и свойствах кислорода, а также умение различать оксиды и составлять уравнения. Понятия окисления и восстановления пригодятся при изучении окислительно-восстановительных реакций и получения металлов в металлургии. Адсорбция связана со способами очистки воды и воздуха. Её также изучают в биологии и медицине, где важно взаимодействие веществ с поверхностями.

Что запомнить

• Углерод — неметалл, способный вступать в реакции при нагревании.
• При избытке кислорода углерод образует CO₂.
• При недостатке кислорода может образоваться CO.
• В реакциях с оксидами металлов углерод может быть восстановителем.
• Адсорбция происходит на поверхности адсорбента.
• Пористость активированного угля увеличивает площадь его поверхности и эффективность адсорбции.