Подгруппа углерода. Углерод
и воду:
Н2СО3 = Н2О + СО2[pic]
Учитывая, что угольная кислота является двухосновной, равновесие между
различными формами молекул и ионов в водном растворе оксида углерода (IV)
можно выразить уравнением:
Н2О + СО2 ®¬ Н2СО3 ®¬ H+ + НСО3- ®¬ 2H+ + CO32- .
При нагревании оксид углерода (IV) улетучивается, и равновесие
смещается влево, а при прибавлении щелочи происходит связывание ионов Н+ и
смещение равновесия вправо.
Угольная кислота слабая. В водном растворе соли угольной кислоты
гидролизуются. Растворы средних солей карбонатов обладают сильной щелочной
реакцией:
CO32- + H2O = HCO3- + OH-
Наиболее распространен в природе карбонат кальция(известняк, мрамор,
мел и т.д.). Залежи пород, содержащих карбонат кальция , особенно
известняка, встречаются довольно часто. Поэтому одной из задач
краеведческой работы в районах с кислыми почвами должны быть поиски
месторождений известняка.
Из искусственно получаемых карбонатов большое значение имеет карбонат
натрия Na2CO3. Безводный карбонат натрия известен под названием
кальцинированной соды, а кристаллогидрат Na2CO3*10H2O - кристаллической
соды. Соду применяют для производства мыла, стекла, а в быту для стирки
белья.
При насыщении раствора соды углекислым газом она переходит в
гидрокарбонат натрия NaHCO3. Гидрокарбонат натрия продают в аптеках и
продовольственных магазинах под названием питьевой соды. Ее принимают
внутрь при изжоге, вызванной избытком в желудочном соке соляной кислоты.
Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении.
При нагревании она разлагается с выделением углекислого газа и паров
воды:
2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O[pic] + СО2[pic]
Поэтому питьевую соду вводят в состав хлебопекарных порошков, добавляемых к
тесту. Такое тесто подходит без применения дрожжей и заквасок, наполняясь
пузырьками углекислого газа, и выпеченный из него продукт получается
пористым и мягким.
Аллотропные видоизменения углерода.
Рис.1 Модель решетки алмаза.
[pic]
Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и
карбин.
Две основные разновидности углерода - графит и алмаз - существенно
отличаются по свойствам. Мягкий графит имеет слоистое строение (рис. 2).Все
атомы углерода находятся здесь в состоянии sp2-гибридизации: каждый из них
образует три ковалентные связи с соседними атомами, причем углы между
направлениями связи равны 120°. Графит электропроводен и хорошо
раскалывается по плоскости. В обычных условиях графит и является наиболее
устойчивой модификацией. Переход графита в алмаз возможен при очень высоких
давлениях (порядка 125000 атм) и температурах (около 3000 °С). Однако
исследование этого процесса сначала с теоретических позиций, а затем
экспериментальным путем показало, что в присутствии катализаторов (железо,
платина) графит превращается в алмаз уже при давлении 60000—80000 атм и
температуре 1400—1600 °С. В настоящее время налажено производство
искусственных алмазов для технических целей, причем размеры их обычно
колеблются от 0,5 до 4 мм; в отдельных случаях удается получить и большие
экземпляры. Структура алмаза (рис. 1) типично тетраэдрическая; атомы
углерода прочно соединены за счет перекрытия sp3-орбиталей. Хотя в обычных
условиях алмаз нестабилен, но практически он может сохраняться
неопределенно долгое время. При сильном накаливании алмаза происходит его
постепенная графитизация.
Физические свойства алмаза и графита.
|Алмаз |Графит |
|Прозрачен, бесцветен. |Непрозрачен, серого цвета с |
| |металлическим блеском. |
|Не проводит электрический ток, так |Довольно хорошо проводит |
|как нет свободных электронов. |электрический ток, благодаря |
| |наличию подвижных электронов. |
| |Скользок на ощупь. |
|Самое твердое из природных веществ.|Одно из самых мягких среди твердых |
| |веществ. |
Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко
ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо
отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми,
яркими цветами радуги.
Размеры мировой добычи алмазов очень незначительны - гораздо меньше,
чем благородных металлов - золота и платины. Из алмазов делают наконечники
буров для сверления твердых горных пород. Также алмазы применяют для резки
стекла и в виде «алмазного инструмента»(резцы, сверла, шлифовальные круги).
Алмазным порошком шлифуют бриллианты и твердые сорта стали. Самый крупный
из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5
см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан».
Один из самых крохотных в мире граненых алмазов, весом всего лишь 0,25
мг(в 4000 раз легче копеечной монетки), демонстрировался на всемирной
выставке в Брюсселе. Несмотря на ничтожный вес и размер - зернышко объемом
0,07 мм3 ,- искусные руки гранильщика нанесли на нем на нем 57 граней,
рассмотреть которые можно только под микроскопом.
Рис.2 Модель решетки графита.
[pic]
В 1967 г. Б.В. Дерягин и Д.В. Федосеев вырастили на грани алмаза
нитеобразный кристалл («алмазные усы»). Рост происходил при высокой
температуре, причем источником углерода служил метан; за четыре часа
кристаллическая нить вырастала на 1 мм, что, вообще говоря, очень много для
процессов такого рода.
Большая часть образцов аморфного угля состоит из искаженных кристаллов
графита. Характерное расположение атомов углерода по углам шестиугольника
при этом сохраняется.
В решетках графита часто встречаются разнообразные дефекты структуры,
как структурные, так и химические, связанные с захватом ионов и атомов. В
решетку графита могут внедряться (А. Убеллоде, Ф. Льюис) атомы бора,
кислорода, серы и т. п., образующие связи между слоями и влияющие на
проводимость графита. Графит образует своеобразные химические соединения, в
которых присоединяющиеся частицы размещаются между плоскостями, занятыми
атомами углерода.
При нагревании графита в парах щелочных металлов получаются легко
окисляющиеся соединения. Так, при 400 °С калий образует соединение C8K.
Состав соединений сильно зависит от температуры и изменяется в широких
пределах. Известны соединения графита с рубидием, цезием; для натрия и
лития четких результатов пока нет; натрий, по-видимому, дает соединение
C64Na фиолетового цвета.
Графит дает также соединения с металлами, аммиаком и аминами типа
MeC12(NH3)2. Решетка графита во всех случаях расширяется при образовании
соединений, и межплоскостное расстояние достигает 0,66 нм, а для
метиламинового комплекса лития даже до 0,69 нм. Получены соединения: C9Br,
C5CI, C8CI, CF.
Тифлон (CF) серого цвета, изолятор, не похож на другие соединения типа
соединений «внедрения». Предполагается образование в нем ковалентных связей
фтор - углерод.
Графит раньше применялся как пишущее средство. С XIX века и по сей
день используют графитовые электроды в металлургии и химической
промышленности, например в производстве алюминия: металл осаждается на
графитовом катоде. Сейчас нашли применение графитизированные стали, то есть
стали с добавлением монокристаллов графита. Эти стали используют при
изготовлении коленчатых валов, поршней и других деталей, где особенно важна
высокая прочность и твердость материала.
Графит играет важную роль в электротехнической промышленности и
атомной энергетике, где его используют в качестве замедлителя нейтронов. С
помощью графитовых стержней регулируют скорость реакции в атомных котлах.
Способность графита расщепляться на чешуйки позволяет делать на его
основе смазочные вещества. Графит - прекрасный проводник теплоты, при этом
он может выдержать значительные температуры до 3000 °С и выше. К тому же он
химически довольно стоек. Эти свойства нашли применение в производстве
графитовых теплообменников и в ракетной технике(для изготовления рулей и
сопловых аппаратов.
Третья модификация - карбин- была открыта в начале 1960-х годов.
Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением
более крупных частиц. Электроны в атоме углерода в карбине имеют sp-
гибридизацию, т.е. это цепочечный полимер, который встречается в виде двух
форм.
Оказалось, что карбин - самая термодинамически устойчивая форма
элементарного углерода. В тех условиях, при которых графит переходит в
алмаз за 30 минут, карбин не изменяется и после 15 часов выдержки.
Тогда же, в начале 1960-х годов, был открыт и так называемый
зеркальный углерод, имеющий, как и графит, слоистое строение, но связи
между слоями здесь не слабые межмолекулярные, как в графите, а
химические, более прочные. Одна из важнейших особенностей зеркального
углерода (кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д.) - его
биологическая совместимость с живыми тканями.
Адсорбция.
Свободный углерод (в виде, например, древесного угля) не только
нелетуч, но и неплавок. Поэтому в таком угле сохраняется тонкопористое
строение древесины, все тончайшие каналы, по которым в дереве перемещались
растворы минеральных солей. Если измерить поверхность всех частиц,
находящихся в угольном порошке массой 1 г, или всех пор и каналов в 1 г
древесного угля, получится площадь во много десятков и даже сотен
квадратных метров.
Поместим в колбу, содержащую воздух с примесью оксида азота (IV),
кусочки угля или всыплем в нее толченый уголь. Бура
| |  скачать работу |
Подгруппа углерода. Углерод |
