Углерод. 
Химия элементов

В большинстве неорганических соединений углерод четырехвалентен и может проявлять степени окисления -4, +2, +4. Благодаря среднему значению электроотрицательности (2,5) он не образует самостоятельных ионов, т. е. связи с атомами других элементов малополярны.

В органических соединениях молекулы, как правило, содержат связь С—С и бывают самых разнообразных типов: линейные, разветвленные, сшитые, циклические. Помимо одинарных он образует двухи трехкратные связи.

Распространение в природе. Содержание углерода в земной коре составляет 0,1% мае., и находится он в составе карбонатных минералов (преимущественно в виде СаС0₃ и MgC0₃), каменного угля, нефти, а также в виде графита и реже алмаза. Некоторые карбонаты имеют органическую природу (мел, известняк, коралловые рифы). Углерод — главная составная часть животного и растительного мира. По содержанию изотопа ¹⁴С в растительных остатках судят об их возрасте.

Физические и химические свойства. Простые вещества углерода имеют полимерное строение с координационной (sp³), слоистой (sp²) и линейной (sp) и другими структурами. Углерод образует несколько аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фулерены (рис. 4.1) и различные разновидности углеродных материалов — нанотрубки (рис. 4.2), графен, графан.

Алмаз — бесцветное, прозрачное, сильно преломляющее свет кристаллическое вещество с атомной кубической решеткой (sp³). Обладает высокой твердостью, тугоплавкостью, низкими значениями теплои электропроводности, химической инертностью. Графит — слоистое кристаллическое вещество с гексагональной структурой (sp²). Карбин — черный порошок, его решетка гексагональная, построена из прямолинейных цепочек Соо, в которых каждый атом образует по две а- и две л-связи (sp):

Карбин — полупроводник, его электрическая проводимость при освещении резко возрастает.

Рис. 4.1. Аллотропия углерода.

Рис. 4.2. Разновидности углеродных материалов.

Фуллерены — молекулярная форма углерода е четным числом атомов углерода в молекуле: С₆₀, С₇₀, С₇₂, С₇₄, С_7б, …, С1₀₈, С₉₆₀ и др. Эти молекулы составлены из атомов углерода, объединенных в пятии шестиугольники с общими ребрами. Наиболее изучен кристаллический фуллерен состава С₆₀, который является ценным материалом для полупроводниковой техники (диоды, транзисторы, фотоэлементы и т. п.). Их важным преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы наносекунд). Многие соединения фуллеренов С₆₀ являются высокотемпературными сверхпроводниками. Их добавки используются также для изготовления аккумуляторов, электрических батарей, для получения искусственных алмазов методом высокого давления.

Нанотрубки — молекулярные структуры из графитовых слоев, свернутых в трубки диаметром от 1 нм. В зависимости от способов получения этих структур образуются материалы с разным типом проводимости (металлической или полупроводниковой). Эти материалы имеют большие перспективы в молекулярной электронике.

Превращения модификаций углерода возможны лишь при особых условиях. Так, алмаз превращается в графит при нагревании до 1000—1500°С (без доступа воздуха). Обратный переход С графит Салмаз возможен при температуре 5000 °C и давлении.

2100 МПа под действием ударной волны.

При термическом разложении органических соединений получается черный графит, или уголь. Наиболее важными сортами черного графита являются кокс, древесный уголь, животный уголь и сажа. Все разновидности углерода тугоплавки.

Существует множество аморфных форм углерода, одной из которых является стеклоуглерод. В нем беспорядочно связаны между собой структурные фрагменты алмаза, графита и карбина. Он тугоплавок (остается в твердом состоянии вплоть до 3700°С), имеет небольшую плотность (до 1,5 г/см³), обладает высокой механической прочностью, повышенной термостойкостью, электропроводен, устойчив во многих агрессивных средах (расплавленных щелочах и солях, кислотах, окислителях и др.).

При обычной температуре элементарный углерод устойчив к действию кислот и щелочей. Из галогенов он непосредственно реагирует только с фтором. При высоких температурах он непосредственно взаимодействует со многими металлами и неметаллами. Проявляет преимущественно восстановительные свойства.

Свойства соединений углерода. Соединения с водородом. Углерод образует большое количество водородных соединений (карбидов водорода) различных типов — предельные, непредельные, циклические и другие углеводороды. Все они являются предметом изучения органической химии. Простейшим карбидом является метан СН₄. Его молекула имеет тетраэдрическую форму. Метан — основной компонент природного (60—90%), рудничного и болотного газа. Это бесцветный, не имеющий запаха газ, химически инертен. На него не действуют кислоты и щелочи. Однако он легко загорается, его смеси с воздухом взрывоопасны. Другие водородные соединения, этап С₂Н₆, этилен С₂Н₄ и ацетилен С₂Н₂, в обычных условиях — газы. Вследствие высокой прочности связи они вполне устойчивы и химически малоактивны.

Соединения с металлами. Карбиды металлов (производные метана) Ве₂С и А1₄С₃ — тугоплавкие (?_пл > 2000°С) солеподобные кристаллические вещества, разлагаются водой, выделяя метан:

Производные ацетилена, наиболее характерные для 5- и ^/-элементов I и II групп, а также для алюминия (Ме₂С₂, МеС₂ и Ме₂(С₂)₃), неустойчивы. Водой они разлагаются с образованием ацетилена, а производные 5-элементов I группы взрываются. Си₂С₂, Ag₂C₂, Au₂C₂, HgC₂ взрываются даже в сухом состоянии. Карбид кальция СаС₂ используется в технике для получения ацетилена:

Карбиды большинства ^/-металлов представляют собой нестехиометрические соединения. Например, в зависимости от условий получения карбиды титана и ванадия имеют состав TiCog. j ₀ и VC₀53_₁₀. Эти карбиды проявляют металлические свойства: металлический блеск, высокую электрическую проводимость, уменьшающуюся с повышением температуры, и др. Они обладают высокой твердостью, жаропрочностью и, как правило, более высокой температурой плавления, чем исходные металлы.

Карбиды составов МеС (TiC, VC, NbC) и Ме₂С (Мо₂С, W₂C), наряду с исключительной жаростойкостью и тугоплавкостью (2000—3500°С) обладают высокой коррозионной стойкостью. Карбиды состава Ме₃С (Mn₃C, Fe₃C, Со₃С) термически и химически менее устойчивы. Они разлагаются разбавленными кислотами, выделяя смесь углеводородов.

Соединения с кремнием и бором (карбиды кремния SiC и бора В₄С) — полимерные вещества. Они характеризуются очень высокой твердостью, тугоплавкостью и химической инертностью.

Соединения с кислородом. Оксиды. Гидроксиды. Соли. Оксид углерода (П) СО — угарный газ. Образуется при сгорании углерода или его соединений в недостатке кислорода, а также в результате взаимодействия оксида углерода (1У) с раскаленным углем:

В обычных условиях оксид углерода (П) устойчив, химически инертен. В воде практически не растворим. Относится к несолеобразующим оксидам. При нагревании проявляет восстановительные свойства, что широко используется в пирометаллургии. При 700 °C горит синим пламенем, выделяя большое количество тепла:

при нагревании окисляется серой.

Молекула СО выступает в качестве лиганда в различных комплексах.

Диоксид углерода С0₂ (углекислый газ) получается при термическом разложении СаС0₃ или действием на СаС0₃ соляной кислоты:

С0₂ обладает кислотным характером, плохо растворим в воде (1л С0₂ в 1 л воды). В водном растворе только небольшая часть его находится в виде Н₂С0₃, НС0₃ и СО|". Угольная кислота Н₂С0₃ — слабый электролит. Легко разлагается при нормальных условиях с выделением углекислого газа С0₂.

При взаимодействии С0₂ с растворами щелочей или по обменным реакциям образуются соли угольной кислоты — карбонаты, а при избытке С0₂ — гидрокарбонаты:

В воде растворимы лишь карбонаты щелочных металлов, при этом они гидролизуются с образованием растворимых гидрокарбонатов:

Применение. Из графита изготавливают электроды, плавильные тигли, футеровку электрических печей и промышленных электролизных ванн и др. В ядерных реакторах его используют в качестве замедлителя нейтронов. Графит применяется также как смазочный материал и т. д.

Исключительная твердость алмаза обусловливает его широкое применение для обработки особо твердых материалов, при буровых работах, для вытягивания проволоки и т. д. Наиболее совершенные кристаллы алмаза используют после огранки и шлифовки для изготовления ювелирных изделий (бриллианты).

Благодаря большой адсорбционной способности древесного и животного угля он применяется для очистки веществ от примесей. Сажа используется в производстве черной резины, для изготовления красок, туши и т. д. Углерод проявляет восстановительные свойства, что широко используется в металлургии.

Диоксид углерода используют в производстве соды, для тушения пожаров, приготовления минеральной воды, как инертную среду при проведении различных синтезов.

Стеклоуглерод — конструкционный материал с уникальными свойствами. Благодаря тугоплавкости (остается в твердом состоянии вплоть до 3700°С), небольшой плотности (до 1,5 г/см³), высокой механической прочности, повышенной термостойкости, электропроводности, устойчивости во многих агрессивных средах (расплавленных щелочах и солях, кислотах, окислителях и др.) он находит применение в атомной энергетике, электрохимических производствах, для изготовления аппаратуры для особо агрессивных сред. Стекловидное углеродистое волокно, обладая низкой плотностью, высокой прочностью на разрыв и повышенной термостойкостью, может найти применение в космонавтике, авиации и других областях.

СОС1₂ (фосген, хлористый карбонил) широко используют в органическом синтезе.

Из галогенидов наибольшее применение находит СС1₄ в качестве негорючего растворителя органических веществ, а также жидкости для огнетушителей. Смешанный фторид-хлорид углерода CC1₂F₂ — фреон (?_пл = -30°С) применяется в качестве хладагента в холодильных машинах и установках.

Роданиды, например NH₄CNS, используют как реактив для качественного обнаружения ионов Fe³⁺.

Металлические карбиды входят в состав чугунов и сталей, придавая им твердость, износоустойчивость и другие ценные качества. На основе карбидов вольфрама, титана и тантала производят сверхтвердые и тугоплавкие сплавы, применяемые для скоростной обработки металлов. Такие сплавы наготавливают методами порошковой металлургии (прессованием составных частей при нагревании); в качестве цементирующего материала чаще всего используют кобальт и никель.

Сплав, состоящий из 20% HfC и 80% ТаС, — самый тугоплавкий из известных веществ (?_пл = 4400°С).