27. Углерод

Определения и обозначения

Углерод — химический элемент с атомным номером 6, обозначается символом C. Он находится во 2-м периоде и 14-й группе Периодической системы, то есть в главной подгруппе IV группы. Это положение помогает понять строение атома и способность углерода образовывать четыре химические связи.

Аллотропия — существование одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся строением и свойствами. Для углерода такими формами являются алмаз, графит, аморфный углерод и фуллерены. Понятие нужно, чтобы не принимать разные свойства этих веществ за признак разных элементов.

Алмаз — аллотропная модификация углерода с прочной пространственной атомной решёткой. Каждый атом углерода прочно связан с четырьмя соседними атомами. Поэтому алмаз очень твёрдый, прозрачный и почти не проводит электрический ток.

Графит — аллотропная модификация углерода со слоистой структурой и подвижными электронами. Внутри каждого слоя атомы соединены прочно, а между слоями связи слабее. Такое строение объясняет мягкость графита и его способность проводить электрический ток.

Как это устроено

Углерод расположен во 2-м периоде и 14-й группе, поэтому в его внешнем электронном слое находятся четыре электрона: 2s²2p². До устойчивой оболочки ему не хватает ещё четырёх электронов, но отдать или принять все четыре обычно энергетически невыгодно. Поэтому углерод чаще образует ковалентные связи, совместно используя электроны, а его степени окисления могут быть от −4 до +4.

Алмаз, графит, аморфный углерод и фуллерены состоят из атомов одного элемента, но атомы соединены в них неодинаково. В алмазе возникает трёхмерная сетка, в графите — плоские слои, в аморфном углероде нет дальнего порядка, а во фуллеренах атомы замыкаются в полые молекулы. Разное расположение связей меняет прочность, подвижность электронов, плотность и другие свойства простого вещества.

В алмазе каждый атом связан с четырьмя соседями, поэтому смещение атомов требует разрушить прочные связи: отсюда исключительная твёрдость. Все валентные электроны участвуют в связях, поэтому свободных электронов для переноса тока почти нет; свет проходит через относительно чистый кристалл, и алмаз прозрачен. В графите атомы образуют слои, внутри которых имеются подвижные электроны, поэтому он проводит ток, а слабые связи между слоями позволяют им легко смещаться и делают графит мягким.

В реакциях с кислородом углерод отдаёт электроны и повышает степень окисления от 0 до +4 или +2. Поэтому он выступает восстановителем, а кислород принимает электроны и является окислителем: C + O₂ → CO₂, 2C + O₂ → 2CO. С оксидами металлов углерод также может отнимать кислород, например 2CuO + C → 2Cu + CO₂, но с некоторыми неметаллами, способными принимать электроны, углерод может быть окислителем.

Древесный уголь получают нагреванием древесины без доступа воздуха, поэтому в нём остаётся много углерода и образуется сеть пор. Поры создают большую поверхность, на которой удерживаются молекулы газов и растворённых веществ; это явление называют адсорбцией. Различия форм углерода определяют применение: алмаз используют в режущих инструментах, графит — в электродах и стержнях карандашей, уголь — в фильтрах, а фуллерены — в научных и технологических исследованиях.

Аллотропные модификации углерода и их применение

Таблицу удобно читать по строкам: сначала определить строение модификации, затем связать его с физическими и химическими свойствами. Последний столбец показывает, почему конкретная форма углерода используется именно в таких областях. Сравнивая строки, легко увидеть, что состав одинаков, а свойства различаются из-за строения.

Разбор задач

Задача 1. Сравнение алмаза и графита

Определите, какие физические свойства проявляются у алмаза и графита, и объясните их различие строением веществ. Нужно сравнить твёрдость, электропроводность и прозрачность. Затем следует связать каждое свойство не с названием вещества, а с расположением атомов и электронов.

1. В алмазе атомы образуют прочную пространственную решётку, поэтому он очень твёрдый. Все валентные электроны участвуют в связях, поэтому алмаз практически не проводит электрический ток.
2. В графите атомы собраны в слои, связанные между собой слабее. Слои легко сдвигаются, поэтому графит мягкий, а подвижные электроны внутри слоёв обеспечивают электропроводность.
3. Алмаз может быть прозрачным, потому что его упорядоченная структура не поглощает видимый свет так, как графит. Графит непрозрачен и имеет серо-чёрный цвет из-за особенностей электронного строения.

Ответ: алмаз твёрдый, прозрачный и не проводит ток, а графит мягкий, непрозрачный и проводит ток. Причина различий — разное строение модификаций, а не разный химический состав.

Задача 2. Горение углерода

Составьте уравнение реакции горения углерода в кислороде и определите окислитель и восстановитель. При полном горении образуется углекислый газ. Для решения нужно проследить, как изменяются степени окисления элементов.

1. Записываем схему реакции: C + O₂ → CO₂. В простых веществах степени окисления углерода и кислорода равны 0.
2. В CO₂ углерод имеет степень окисления +4, значит, он отдал четыре электрона и окислился. Кислород имеет степень окисления −2, каждый его атом принял два электрона.
3. Число атомов уже согласовано: один атом C и два атома O находятся по обе стороны уравнения. Поэтому коэффициенты равны единице.

Ответ: C + O₂ → CO₂. Углерод — восстановитель, потому что он отдаёт электроны и окисляется; кислород — окислитель, потому что принимает электроны и восстанавливается.

Задача 3. Восстановление оксида металла

Составьте уравнение восстановления оксида меди(II) углеродом, расставьте коэффициенты и определите, какое вещество восстановилось. В продукте должен появиться свободный металл, а углерод соединится с кислородом. Удобно начать с записи формул веществ и проверить число атомов каждого элемента.

1. Записываем схему: CuO + C → Cu + CO₂. Справа два атома кислорода, поэтому перед CuO ставим коэффициент 2.
2. После этого слева становится два атома меди, значит, перед Cu ставим коэффициент 2: 2CuO + C → 2Cu + CO₂.
3. Медь в CuO имеет степень окисления +2, а в простом веществе — 0, поэтому она принимает электроны и восстанавливается. Углерод изменяет степень окисления от 0 до +4 и является восстановителем.

Ответ: 2CuO + C → 2Cu + CO₂. Восстановился оксид меди(II), точнее, ионы меди в его составе; углерод восстановил их до металла.

Типичные ошибки

Считать алмаз и графит разными химическими элементами ошибочно, потому что оба состоят только из атомов углерода. Так думают из-за резко различающихся свойств, но это как раз пример аллотропии. Проверка проста: сравните химический состав, а затем строение.

Графит не следует считать непроводящим веществом только потому, что углерод — неметалл. В его слоях есть подвижные электроны, переносящие электрический заряд. Проверить себя можно, вспомнив связь между слоистой структурой и электропроводностью графита.

Нельзя называть углерод только окислителем или только восстановителем. В реакции с кислородом и оксидами металлов он обычно восстановитель, но с некоторыми веществами, принимающими электроны, может быть окислителем. Чтобы определить роль, сравните степени окисления углерода до и после реакции.

Адсорбция древесного угля — не то же самое, что поглощение всем объёмом вещества. При адсорбции частицы удерживаются преимущественно на поверхности пор. Представьте губку и пористый уголь: первый впитывает внутрь, а второй особенно активно задерживает частицы на большой внутренней поверхности.

Связь с другими темами

До изучения углерода нужны знания о строении атома, Периодической системе, валентности, степенях окисления и признаках окислительно-восстановительных реакций. Эти понятия позволяют объяснить число связей и роль углерода в реакциях. Связь с темами оксидов и горения проявляется в образовании CO и CO₂.

Дальше знания об углероде пригодятся при изучении угарного и углекислого газа, карбонатов, топлива и металлургии. Углерод также является основой огромного раздела органических соединений. Его способность образовывать прочные цепи и кольца объясняет разнообразие органических веществ.

Что запомнить

• Химический символ углерода — C, атомный номер — 6.
• Углерод образует несколько аллотропных модификаций.
• Алмаз и графит состоят только из атомов углерода, но различаются строением и свойствами.
• Алмаз очень твёрдый и не проводит электрический ток, а графит мягкий и проводит ток.
• В реакциях с кислородом углерод окисляется и обычно выступает восстановителем.
• Древесный уголь обладает адсорбционной способностью.
• Свойства углерода определяются строением его атомных и кристаллических структур.