"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Углерод — химический элемент, образующий множество веществ благодаря способности атомов прочно соединяться друг с другом. Его простые вещества — алмаз, графит, фуллерены и другие аллотропные модификации — отличаются строением и свойствами. Углерод горит в кислороде с образованием CO₂ или CO, а при нагревании восстанавливает металлы из их оксидов. Понимание строения углерода помогает объяснить разнообразие его соединений и применение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Аллотропия углерода — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Например, алмаз и графит состоят только из атомов углерода, но имеют разные кристаллические структуры. Это понятие нужно, чтобы не путать разные формы одного элемента с разными химическими элементами.
Алмаз — аллотропная модификация углерода с трёхмерной ковалентной атомной решёткой. Каждый атом связан с четырьмя соседними атомами прочными связями, образующими пространственную сеть. Такое определение помогает объяснить исключительную твёрдость алмаза и отсутствие у него обычной электропроводности.
Графит — аллотропная модификация углерода, в которой атомы образуют слоистую структуру. Внутри каждого слоя атомы соединены прочно, а сами слои удерживаются слабее и могут смещаться. Поэтому графит мягкий, оставляет след на бумаге и используется не только как материал для стержней, но и как проводник.
Фуллерен — аллотропная модификация углерода, состоящая из замкнутых полых молекул. Их атомы образуют оболочки, напоминающие球ообразные или вытянутые каркасы; известный пример — молекула C₆₀. Понятие фуллеренов показывает, что углерод может существовать не только в виде протяжённой решётки, но и в виде отдельных молекул.
Углерод находится в 14-й группе и 2-м периоде периодической системы; его порядковый номер — 6. В атоме углерода шесть электронов, из них четыре внешних, поэтому атом способен образовывать несколько ковалентных связей. Связи C—C достаточно прочны, а соединение атомов углерода в цепи, разветвления и кольца объясняет огромное число органических веществ.
Алмаз твёрдый потому, что каждый его атом включён в единую пространственную сеть прочных связей. Чтобы разрушить или сместить такой участок, нужно одновременно нарушить много связей. Графит устроен иначе: прочные связи действуют внутри слоёв, а между слоями они слабые, поэтому слои легко скользят друг относительно друга и материал становится мягким.
Электропроводность тоже зависит от строения, а не только от состава. В графите часть электронов не закреплена строго за одной связью и может перемещаться вдоль слоя, перенося заряд. В алмазе все четыре внешних электрона каждого атома участвуют в направленных связях, поэтому свободных электронов для переноса тока практически нет.
Алмаз, графит и фуллерены имеют одинаковый химический элемент в составе, но разные способы соединения атомов. У алмаза и графита преобладают протяжённые структуры, а у фуллеренов — самостоятельные молекулы. Из-за этого меняются не только твёрдость и проводимость, но также плотность, внешний вид, растворимость и области применения.
При взаимодействии с кислородом продукт определяется его доступностью для каждого атома углерода. При полном сгорании образуется CO₂: C + O₂ → CO₂, а при недостатке кислорода — CO: 2C + O₂ → 2CO. Поэтому по одному только факту горения нельзя сразу выбирать продукт: нужно оценить условия реакции.
При нагревании с оксидами многих металлов углерод забирает у них кислород. Сам углерод окисляется до CO или CO₂, а металл восстанавливается до простого вещества. Такое свойство используют в металлургии, если металл способен быть вытеснен углеродом из своего оксида.
| Характеристика | Алмаз | Графит | Фуллерен |
|---|---|---|---|
| Строение | Пространственная атомная сеть | Слоистая структура | Замкнутые полые молекулы |
| Тип решётки или молекулярная структура | Атомная ковалентная решётка | Атомные слои, слабосвязанные между собой | Молекулярное строение, например C₆₀ |
| Связи между атомами углерода | Прочные связи во всех направлениях | Прочные внутри слоя, слабые между слоями | Прочные ковалентные связи внутри молекулы |
| Твёрдость | Очень высокая | Невысокая | Зависит от формы и упаковки молекул |
| Электропроводность | Практически не проводит | Проводит | Зависит от состава и условий |
| Примеры применения | Режущие инструменты, абразивы, ювелирные изделия | Карандашные стержни, электроды, смазочные материалы | Нанотехнологии, материалы и научные исследования |
Сначала по таблице сравнивают строение, затем связывают его с физическими свойствами. Например, слабые связи между слоями графита объясняют его мягкость, а подвижные электроны — проводимость. При ответе о применении нужно указывать не только назначение вещества, но и свойство, которое делает его полезным.
Запишите уравнение полного сгорания углерода и рассчитайте количество вещества углекислого газа, образующегося при сгорании 12 г углерода. Полное сгорание означает, что кислорода достаточно и продуктом является CO₂. Используем молярную массу углерода 12 г/моль.
Ответ: образуется 1 моль CO₂.
При недостатке кислорода углерод сгорает с образованием угарного газа. Составьте уравнение реакции и определите объём CO при н. у., образующегося из 6 г углерода. Здесь нельзя использовать уравнение полного сгорания, потому что условие прямо указывает на образование CO.
Ответ: образуется 11,2 л CO при н. у.
При нагревании 12 г углерода с избытком оксида меди(II) получены медь и углекислый газ. Запишите уравнение реакции и найдите массу меди. Избыток CuO означает, что ограничивающим реагентом является углерод.
Ответ: масса полученной меди равна 128 г.
Считать алмаз и графит разными элементами. Ошибка появляется из-за резкого различия их внешнего вида и свойств. Проверьте состав: оба вещества состоят из атомов углерода, а различается их строение.
Приписывать графиту твёрдость алмаза. Иногда свойства одного вещества переносят на другое, забывая об устройстве решётки. Самопроверка проста: у алмаза пространственная сеть, а у графита слои, которые могут скользить.
Записывать при любом сгорании только CO₂. Такой ответ верен лишь при достаточном количестве кислорода. Если кислорода мало, выбирайте уравнение 2C + O₂ → 2CO и проверяйте, совпадает ли продукт с условием.
Путать окисление углерода с его восстановительными свойствами. В реакции с оксидом металла углерод действительно окисляется, принимая кислород, но металл при этом восстанавливается. Определить роль углерода можно по изменению его степени окисления и по продуктам реакции.
Для понимания углерода нужны знания о строении атома, периодическом законе, ковалентной связи и типах кристаллических решёток. Они помогают связать положение элемента со способностью образовывать прочные связи и объяснить свойства алмаза и графита.
Свойства углерода пригодятся при изучении оксидов углерода и окислительно-восстановительных реакций. Восстановление оксидов углеродом связано с промышленными способами получения металлов.
Аллотропия углерода — пример более общего явления. По такой же схеме сравнивают простые вещества кислорода и фосфора, выясняя, как строение влияет на свойства.
Почему алмаз и графит имеют разные свойства, хотя состоят из одного элемента?
В алмазе атомы углерода соединены в прочную пространственную сеть, а в графите — в плоские слои. Поэтому алмаз очень твёрдый, а графит мягкий и легко оставляет след на поверхности.
Почему графит проводит электрический ток, а алмаз — нет?
В графите у атомов есть электроны, способные перемещаться вдоль слоёв. В алмазе все валентные электроны участвуют в прочных связях, поэтому свободных носителей заряда почти нет.
При каких условиях при сгорании углерода образуется угарный газ?
CO образуется при недостатке кислорода или при плохом перемешивании углерода с воздухом. При избытке кислорода основным продуктом становится CO₂.
Почему углерод способен восстанавливать металлы из их оксидов?
При нагревании углерод связывает кислород из оксида металла и превращается в оксид углерода или CO₂. Металл при этом освобождается, поэтому углерод выступает восстановителем.
Чем фуллерены отличаются от алмаза и графита по строению?
Фуллерены состоят из отдельных замкнутых полых молекул, например C₆₀. Алмаз и графит имеют протяжённые атомные структуры: пространственную сеть и слоистую решётку соответственно.
§ 33. Углерод
