Химические соединения углерода

Углерод наиболее замечателен образованием огромного числа органических соединений. Несравнимо меньше число неорганических соединений углерода (см. на схеме). К ним относятся лишь оксиды и некоторые другие бинарные соединения, неустойчивая угольная кислота и се соли — карбонаты.

К практически наиболее важным неорганическим соединениям углерода относятся оксиды — углекислый газ С0₂ и угарный газ СО. Углекислый газ образуется в реакциях горения угля и органических соединений и при разложении карбонатов.

Угарный газ, или оксид углерода (Н), образуется при сгорании угля в условиях недостатка кислорода. Фактически в этих условиях идет реакция между углем и углекислым газом:

Примесь СО содержится в обычном печном дыме, выхлопных газах автомобилей, пороховом дыме. Это очень ядовитое вещество, от которого пострадало много людей. Достаточно преждевременно закрыть печную трубу, как в доме начинает скапливаться угарный газ. Попадая через легкие в кровь, он соединяется с гемоглобином, что препятствует связыванию кислорода. Блокируется насыщение крови кислородом в легких и перенос его к тканям. От этого может наступить смертельное отравление. На свежем воздухе кислород вытесняет СО, и симптомы отравления — слабость, головная боль, потеря сознания — постепенно проходят. Химическую сущность отравления и последующей детоксикации можно понять, как смещение равновесия реакции.

где НЬБе — краткая запись формулы гемоглобина, в составе которого есть железо, непосредственно связывающее как кислород, так и угарный газ.

Строение молекулы СО необычно, так как в ней атомы углерода и кислорода связаны тройной связью. Молекула по электронной структуре оказывается очень похожей на Ы₂:

Одна я-связь образована электронной парой кислорода. Смещение ее к атому углерода против действия электроотрицательности делает молекулу СО почти неполярной. С водой в жидком состоянии угарный газ не реагирует и малорастворим. Но оксид углерода (Н) далеко не так инертен, как азот. Он присоединяет атом кислорода (горит), а также многие другие атомы и молекулы. Например, присоединяя молекулу хлора, образует фосген:

Оксид углерода (1У) — устойчивое и химически активное вещество. Он наиболее важен как источник углерода для фотосинтеза в листьях растений. Углекислый газ оказывается также конечным углеродсодержащим веществом при окислении органических соединений в живых клетках. Это вещество умеренно растворимо в воде и образует в растворе неустойчивую угольную кислоту:

Константа равновесия этой реакции.

Молекулы кислоты частично распадаются на ионы:

Для этой реакции К_л = 2,65−10. Согласно значению константы, угольная кислота оказывается сильнее, чем уксусная. В справочных таблицах обычно приводится константа для суммарной реакции.

Эта константа вычисляется как произведение констант последовательных реакций:

Таким образом, если оценивать силу кислоты отношением концентрации ионов к концентрации всего растворенного С0₂, то угольная кислота оказывается слабее, чем уксусная. Неустойчивость угольной кислоты имеет огромное значение для жизнедеятельности, так как это позволяет удалять из организма образующийся оксид углерода (1У) в виде газа в процессе дыхания.

Вода, насыщенная под давлением углекислым газом («газированная вода»), имеет кислый вкус. Углекислый газ поглощается как растворами щелочей, так и твердыми щелочами с образованием солей угольной кислоты:

При избытке углекислого газа, а также при постепенном добавлении раствора сильной кислоты к раствору карбоната щелочного металла образуется кислая соль — гидрокарбонат:

При избытке сильной кислоты вытесняется и разлагается угольная кислота с выделением углекислого газа:

Кислоты более слабые, чем угольная кислота, углекислый газ не вытесняют и могут только перевести карбонат в кислый карбонат:

В воде растворимы только карбонаты щелочных металлов и аммония. Многие двухзарядные катионы (Са²⁺, Mg²⁺, Бе²⁺) образуют нерастворимые карбонаты, но относительно хорошо растворимые гидрокарбонаты. Медленное разрушение известняковых массивов в природе и образование пещер происходят из-за превращения нерастворимого карбоната в растворимый гидрокарбонат:

В растворах карбонаты в значительной степени гидролизованы по реакции.

Нерастворимые в воде карбонаты реагируют с разбавленными растворами кислот с выделением углекислого газа. Большинство карбонатов при повышении температуры разлагаются с выделением углекислого газа, не достигнув температуры плавления. Без разложения плавятся только карбонаты натрия (?_пл = 851 °С) и следующих за ним щелочных металлов. Термическое разложение карбоната кальция (известняка) применяется для получения извести и углекислого газа:

При температуре от 700 до 900 °C это типично обратимая реакция, равновесие которой можно смещать, изменяя давление углекислого газа.

Углерод образует как обычные галогениды СБ₄, СС1₄, СВг₄ (?_пл = 48°С), С1₄ (?_11Л >171°С), так и смешанные, например, СБ₂С1Вг, не характерные для других неметаллов. Галогениды углерода по составу — вполне неорганические вещества, но своей низкой реакционной способностью похожи на органические соединения. Эти вещества применяют в холодильных установках (отсюда происходят их общие названия фреоны и хладоны) и аэрозольных баллонах в качестве легко испаряющихся жидкостей, а также как растворители. Хлорид углерода получают по реакции.

Уголь с хлором непосредственно не реагирует, хлор может только адсорбироваться на угле. Хлорид углерода — тяжелая ядовитая жидкость с запахом, похожим на запах хлороформа. Применяется как растворитель. В обычных условиях СС1₄ практически не реагирует с водой и этим резко отличается от быстро гидролизующихся хлоридов других неметаллов. Однако при длительном кипячении с водой гидролиз СС1₄ все же наблюдается и идет необратимо: