Углерод. 
Неорганическая химия для инженеров-экологов

Природные ресурсы. Содержание углерода в земной коре составляет 0,1%. Встречается как в свободном виде (алмаз, графит), так в связанном состоянии (диоксид углерода, карбонаты, нефть, природный газ, сланцевое масло, битумы).

В зависимости от числа у-связей координационное число углерода равно четырем (sp3 — гибридизация), трем (sp2 — гибридизация), или двум (sp — гибридизация) валентных орбиталей:

В соответствии с характерными гибридными состояниями орбиталей атомы углерода могут объединятся в полимерные образования координационной (sp3), слоистой (sp2) и линейной (sp) структуры.

Этому соответствует три простых типа веществ: алмаз, графит, карбин. В продуктах конденсации паров графита выделена новая модификация углерода — фуллерен.

Алмаз (sp3) — кристаллическое вещество с атомной координационной решеткой, обладающее большой твердостью и значительной плотностью. Он тверже всех веществ. Его широко используют для резки стекол, бурения горных пород, шлифования особо твердых материалов. Образцы его в чистом виде сильно преломляют свет (светятся). При специальной огранке прозрачных кристаллов получают бриллианты. Это самый дорогой из драгоценных камней. Массу алмаза выражают в каратах (1 карат соответствует 0,2 грамма). Стоимость алмаза растет пропорционально квадрату его массы.

При sp2 гибридизации образуется плоская структура графита. Графит — черно-серое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. Расстояние между слоями очень велико (0,335 нм), а межмолекулярные силы между слоями в графите очень малы. Графит расщепляется на тонкие чешуйки, которые сами по себе очень прочны и легко прилипают к бумаге. Графит тугоплавок, из него готовят тигли для металлургии. В ядерных реакторах графит используют в качестве замедлителя нейтронов. Встречается в виде залежей (Алтай), получается из кокса. Переход графита в алмаз осуществляется при температуре 1800 °C и давлении 6 ГПа в присутствии растворителей (расплавленный FeS, Та, Ni и др.).

При sp гибридизации образуется карбин, открытый в 1963 году, позднее обнаруженный в природе. Карбин получают путем каталитического окисления ацетилена. Карбин — мелкокристаллический порошок черного цвета. Кристаллы карбина состоят из линейных цепочек углеродных атомов, соединенных чередующимися одинарными и тройными связями:

— С С — С С —. .. (- С С -) n.

По твердости карбин превосходит графит, но уступает алмазу. Обладает полупроводниковыми свойствами. При нагревании (Т=2880°C), без доступа воздуха превращается в графит.

К разновидностям графита относят сажу и древесный уголь. Уголь получается при термическом разложении углеродистых соединений. Уголь представляет собой тонко измельченный графит. Древесный уголь получается при обугливании древесины. Уголь (особенно древесный) содержит большое количество пор, поэтому обладает большой адсорбционной способностью. Адсорбцией называется свойство угля и других твердых тел удерживать на своей поверхности пары, газы и растворенные вещества. Вещества, на поверхности которых происходит адсорбция, называются адсорбентами. Если пропустить через растертый уголь чернила (уголь — адсорбент, чернила — адсорбат), то они обесцвечиваются. В технике в качестве адсорбентов применяются алюмосиликаты. В медицине таблетки из активированного угля используют для удаления вредных веществ.

Химические свойства. При обычной температуре углерод весьма инертен, при определенных условиях проявляет окислительные и восстановительные свойства. Окислительные свойства проявляются в реакциях:

4А1 + 3 = Al4+3С3−4 (карбид А?) ;

Са+2О + 3С = С+2О + Са+2С2 (карбид Са);

С + 2Н2 = С-4H4+1 (метан).

Восстановительные свойства для угля более характерны:

С° + О2 = С+4О2 .

Уголь восстанавливает Fe, Cu, Zn, Pb и другие металлы из их оксидов, например:

2ZnO + С° = 2Zn + С+4О2 .

При высоких температурах углерод взаимодействует с кислородом, азотом, галогенами и многими другими металлами.

Оксиды углерода. Угольная кислота Оксид углерода (II). СО образуется в процессе сгорания угля при недостатке кислорода:

2С + O2 = 2СО.

В молекуле монооксида тройная химическая связь, поэтому СО характеризуется низкой температурой плавления и малой растворимостью в воде. В промышленности СО получают пропусканием диоксида углерода над раскалённым углём при высокой температуре:

СО2 + С = 2СО.

Вследствие протекания этой реакции выхлопные газы автомобилей содержат СО, также содержат СО, отходящие газы печей при плохой тяге.

В лаборатории оксид углерода СО получают, добавляя по каплям муравьиную кислоту к концентрированной серной кислоте, которая отнимает от неё воду:

НСООН СО + Н2О.

Щавелевая кислота при нагревании с серной кислотой даёт смесь двух оксидов:

Н2С204 = СО + С02 + Н2О.

Смесь полученных газов пропускают через раствор гидроксида бария, который поглощает только CO2.

Физиологическое действие. Монооксид углерода очень ядовит, смертельная доза СО в воздухе 0,2%. С гемоглобином крови СО связывается прочнее, чем кислород, тем самым блокируя перенос кислорода в организме. Признаки отравления малыми дозами: кровь необычно яркой окраски, сильная головная боль, иногда потеря сознания.

Свойства. Оксид углерода (СО) — бесцветный газ, тяжелее воздуха, мало растворим в воде. Поглощается активированным углём, а также фильтрующим слоем, содержащим I2O5. Оксид углерода при обычных температурах химически инертен, однако при участии катализаторов реагирует с водородом с образованием углеводородов. Из-за наличия неподеленных пар у углерода и кислорода монооксид углерода является лигандом и образует прочные комплексы с переходными металлами, например, [Ni (CO)4], [Co2(CO)9], [Fe (CO)5]. При высоких температурах СО восстанавливает многие металлы из их оксидов:

CO + CuO = Cu + CO2.

Это свойство оксида углерода (II) используется при выплавке металлов из руд. Соединяясь с серой, образует тиооксид:

СО + S = COS.

Соединяясь с хлором, образует фосген:

СО + C?2 = СОС?2 .

Фосген (СОС?2) — бесцветный газ со слабым сенным запахом. Очень ядовит, в первую мировую войну его использовали как удушающее и отравляющее средство. Фосген медленно гидролизуется водой:

СОС?2 + 2НОН = Н2СО3 + 2НС?.

Диоксид углерода СO2 — образуется в природе при сгорании и гниении органических веществ. В воздухе его концентрация составляет 0,03%, содержится он также во многих минеральных источниках (нарзан, боржоми). Атмосфера Венеры на 95% состоит из СО2. Диоксид углерода ассимилируется в процессе фотосинтеза зелеными растениями с помощью имеющегося у них хлорофилла; при поглощении солнечной энергии в растениях образуются органические вещества (в первую очередь глюкоза), а кислород освобождается и выделяется в атмосферу. Поглощенная энергия при диссимиляции в живых организмах животных и растений снова высвобождается. Диссимиляция органических веществ в организмах — это процесс их окисления в присутствии ферментов с образованием диоксида углерода и воды:

ассимиляция.

6С02 + 6Н2О С6Н12О6 + 6O2 .

диссимиляция глюкозы.

Из всей падающей на Землю солнечной энергии 0,12% фотохимически усваивается растениями. Зеленые листья площадью 1 м² за время освещения 1ч производят 1 г виноградного сахара.

Оксид углерода (IV) — бесцветное газообразное вещество, тяжелее воздуха, поэтому его можно переливать из сосуда в сосуд. Не поддерживает горения и дыхания. Зажженная лучина в нем гаснет, человек и животные при больших концентрациях СO2 задыхаются. Часто в опасных количествах он скапливается в шахтах, колодцах. СО2 сжижается при комнатной температуре под давлением 6МПа. В жидком состоянии хранится и транспортируется в стальных баллонах. При понижении температуры кристаллизуется в виде молекулярных кристаллов, которые сублимируются при температуре -78С. Твердый СO2 называется сухим льдом; используется, как хладоагент. Известно, что люди вдыхают воздушную смесь, содержащую 4%СO2. Чистый СO2 действует удушающе, при вдыханиеи воздуха, содержащего 10%СO2 возникает головокружение и возможна потеря сознания, а при более высоких концентрациях происходит паралич органов дыхания.

Получение диоксида углерода:

а) полное сгорание кокса:

С + O2 = СO2.

Полученный газ очищают, пропуская через раствор К2СОз, в результате происходит реакция:

К2СО3 + СO2 + Н2O = 2КНСО3.

Примеси проходят через раствор, а СO2 выделяют из раствора кипячением (термическое разложение гидрокарбоната):

• 2КНСОз К2СО3 + СO2 + Н2O,
• б) обжиг известняка и других карбонатов:

СаСО3 СаО + СO2.

в) обработка карбонатов (например, мрамора) сильной кислотой:

СаСО3 + 2НС? = CaC?2 + Н2О + СO2.

г) спиртовое брожение:

С6Н12O6 = 2С2Н5OН + 2СO2.

глюкоза Диоксид углерода взаимодействует с основными гидроксидами, образуя соли: карбонатыNa2СО3, (NН4)2СО3 и гидрокарбонаты — Са (НСО3)2, Мg (НСО3)2.

Восстанавливается магнием до углерода:

СO2 + 2Mg = С + 2MgO.

Диоксид углерода — кислотный оксид, при взаимодействии с водой образует угольную кислоту Н2СО3:

СO2 + Н2O Н2СО3.

Равновесие смещено влево, поэтому большая часть растворённого диоксида углерода находится в виде СO2, а не Н2СО3. Угольная кислота — слабая кислота, при небольшом нагревании она разлагается:

Н2СО3 Н2O + СO2.

Это слабая кислота, как двухосновная диссоциирует ступенчато: _.

Н2СО3 НСО-3 + H+; K1 = 4,210 -7 ,.

HСО3? СО32- + H+; К2 = 4,810 -11 .

Соли угольной кислоты называются карбонатами. Существуют средние карбонаты с анионом СО32- и кислые — гидрокарбонаты (NaHCO3). Соли угольной кислоты устойчивы, хотя сама она не устойчива. Большинство карбонатов не растворимо в воде. Растворимы карбонаты щелочных металлов и (NH4)2CO3, ТI2СО3. Гидрокарбонаты в воде растворяются.

При нагревании гидрокарбонаты легко переходят в карбонаты:

2NaHCO3 = Na2CO3 + СО2 + H2O.

При пропускании СO2 через известковую воду происходит помутнение раствора вследствие образования карбоната кальция:

Са (ОН)2 + СO2 = СаСО3 + Н2O .

При длительном пропускании углекислого газа раствор становится прозрачным:

СаСО3 + Н2O + СO2 = Са (НСО3)2 .

Способ обнаружения карбонатов основан на обработке их сильной кислотой и последующим пропускании отходящего газа через баритовую воду.

Соединения. Водородные соединения — углеводороды изучаются в курсе органической химии. При взаимодействии углерода с водородом образуется метан:

C + 2H2 C-4H4+1 .

В лабораторных условиях метан получают нагреванием безводного ацетата натрия со щелочью:

CH3COONa + NaOH CH4 + Na2СО3.

Основным промышленным источником метана является природный газ.

Дисульфид углерода (сероуглерод) CS2 получают из метана обработкой парами серы при 600 °C с участием катализатора:

СН4 + 4S = CS2 + 2H2S,.

или при взаимодействии с серой при повышенных температурах:

C + 2S = CS2.

Сероуглерод CS2 — бесцветная жидкость с запахом редьки, очень быстро улетучивается уже при комнатной температуре. Не растворим в воде. Растворяет жиры, смолы, каучук, серу, фосфор, йод. Ядовит!

Сероуглерод огнеопасен; при поджигании на воздухе сгорает с образованием соответствующих оксидов:

CS2 + 3O2 = 2SO2 + СO2.

Карбамид (мочевина) CO (NH2)2 — диамид угольной кислоты. Карбамид был обнаружен в моче, впервые синтезирован в 1828 г. Его получают по реакции: t, р

2NH3 + СO2 == СО (NН2)2 + Н2O.

Карбамид — конечный продукт белкового обмена у людей и млекопитающих. Человек ежедневно выделят 20−30 г мочевины. Карбамид применяется в качестве азотного удобрения и как добавка в корма, а также в органической химии.

Циан и его производные. Циан, точнее дициан C2N2 (NC-CN), бесцветный газ, ядовит! Сгорает в кислороде; при нормальном давлении температура пламени достигает 4500°С:

С2N2 + 2O2 = 2СO2 + N2.

Циановодород HCN — бесцветная жидкость с характерным запахом горького миндаля. Очень ядовит! Смертельная доза — 50 мг HCN, продолжительность действия несколько секунд, HCN блокирует дыхание и вызывает удушье. Хорошо растворим в воде. Водный раствор HCN называется циановодородной (синильной) кислотой; это слабая кислота.

Цианиды — соли циановодорода, например, цианид натрия NaCN и цианид калия KCN хорошо растворимы в воде. Очень ядовиты (смертельная доза 150 мг); при хранении во влажном воздухе переходят в карбонаты с выделением циановодорода (отравляя атмосферу помещений).

2KCN + Н2O + СO2 = К2СО3 + 2HCN.

В гальванотехнике используются комплексные цианиды: Na3[Cu (CN)4]- тетроцианокупрат (I) натрия, Na2[Zn (CN)4] - тетроцианоцинкат (II) натрия, Na2[Cd (CN)4] - тетроцианокадмат (II) натрия, K[Ag (CN)2] - дицианоаргентат (I) калия, K[Au (CN)2] - дицианоаурат (I) калия.

Тиоцинат водорода HCNS (устаревшее название — роданистоводородная кислота) получают при кипячении растворов цианидов с серой:

KCN + S = KCNS.

образует соли — тиоционаты (ранее роданиды).