Підручник з Хімії (рівень стандарту). 11 клас. Григорович - Нова програма

§ 28. Карбон

Пригадайте: особливості будови електронної оболонки атомів карбону в основному та збудженому станах (за § 4).

Карбон

Карбон — елемент 2 періоду IVA групи. Максимальна валентність Карбону в основному стані дорівнює трьом: два зв'язки можуть утворюватися за рекомбінаційним механізмом і один — за донорно-акцепторним:

У збудженому стані на зовнішньому енергетичному рівні чотири неспарені електрони, і Карбон виявляє валентність IV (див. с. 15).

В усіх сполуках (крім чадного газу) Карбон чотиривалентний. Електронегативність Карбону не дуже велика, тому в різних сполуках він виявляє всі ступені окиснення: від нижчого -4 до вищого +4 (див. Додаток 2). Із цієї ж причини для Карбону не характерні бінарні йонні сполуки, оскільки він утворює переважно ковалентні зв'язки.

Унікальною особливістю Карбону є утворення дуже довгих гомоланцюгів (ланцюгів з атомів одного елемента). Гомоланцюги характерні і для інших елементів (Сульфур, Силіцій тощо), але Карбон може утворювати ланцюги, довжина яких майже необмежена.

Карбон можна назвати рекордсменом за числом утворених ним алотропних модифікацій. Сьогодні невідомо, скільки їх може існувати внаслідок різноманіття сполучення атомів Карбону між собою. Найдавніші відомі прості речовини Карбону — алмаз і графіт. Але за останні роки було відкрито ще багато модифікацій.

Алмаз

Алмаз (від давньогрец. adamas — незламний) — найтвердіший природний матеріал. Він надзвичайно тугоплавкий, розплавити його вдається лише за температури близько 4000 °С і тиску понад 100 атм. Незважаючи на високу твердість, алмаз крихкий — його можна розколоти ножем. Він погано проводить теплоту, є діелектриком.

Унікальні властивості алмазу зумовлені особливостями його кристалічних ґраток (мал. 28.1, с. 140). Кристал алмазу являє собою єдиний каркас із атомів Карбону — саме тому він має надзвичайну твердість.

Мал. 28.1. Природний алмаз та кристалічні ґратки алмазу

Алмаз метастабільний: за звичайних умов він може існувати нескінченно довго, але за підвищеної температури поступово перетворюється на графіт.

У природі алмази трапляються дуже рідко, переважно в місцях виходу на поверхню деяких вулканічних порід (кімберлітові трубки), площа яких іноді понад 100 га. Найбільші родовища алмазів виявлено в Південній Африці, Бразилії та Якутії.

Алмази застосовують для різання скла, за допомогою алмазних наконечників бурять гірські породи, свердлять і ріжуть метали й камінь. Перспективним є використання алмазів у мікроелектроніці. Огранені природні алмази називають діамантами і прикрашають ними ювелірні вироби (мал. 28.2).

Мал. 28.2. Застосування алмазів: а — у техніці; б — у ювелірній справі

Графіт

Графіт, на противагу алмазу, — це м'яка речовина, за твердістю поступається навіть паперу. Він жирний на дотик, має металічний блиск. На відміну від більшості неметалів, графіт проводить електричний струм, але не так добре, як метали.

Графіт має шарувату структуру — атоми Карбону в ньому утворюють пласкі шари (мал. 28.3). Окремий шар зверху нагадує бджолині стільники.

Мал. 28.3. Природний графіт та кристалічні ґратки графіту

Графіт складається з окремих лусочок. Коли графітовий олівець торкається паперу, частина лусочок залишається на аркуші, утворюючи слід. Недарма слово «графіт» походить від грецького «графо», що означає «пишу».

За кімнатної температури й атмосферного тиску графіт — це найстійкіша модифікація Карбону. За тиску 50 тис. атм., підвищеної температури і наявності каталізатора (нікелю) у промисловості одержують штучні алмази, які використовують у техніці. Але маса таких алмазів не перевищує 0,2 г.

Найбільші поклади графіту зосереджені в Китаї (26 % світових запасів). В Україні є шість родовищ графіту, запаси яких оцінюють у 20 % від світових, що є другим показником у світі. І хоча від 1934 року розробляється лише одне родовище (м. Завалля, Кропивницька обл.), Україна входить у топ-10 світових виробників графіту.

Із графіту виготовляють електроди для гальванічних елементів і електролізерів, грифелі для олівців, тиглі для виплавляння металів (мал. 28.4). Змішаний із мастилом графіт є чудовим мастильним матеріалом. Завдяки високій жаростійкості графіт застосовують для виготовлення ливарних форм та облицювання внутрішніх поверхонь печей. А здатність графіту сповільнювати й поглинати швидкі нейтрони використовують в атомних реакторах.

Мал. 28.4. Застосування графіту: а — електроди гальванічних пристроїв; б — олівці; в — жаростійкі тиглі для виплавляння металів

Інші алотропні модифікації Карбону

Інші відомі алотропні модифікації Карбону — це карбін, фулерени, графен, нанотрубки тощо.

Карбін за фізичними властивостями схожий на графіт і іноді трапляється в ньому у вигляді білих прожилок. Карбін має лінійну будову: =C=C=C=C= або —C≡C—C≡C—.

1985 року група американських і британських учених відкрили молекулярну модифікацію Карбону — фулерени. Вони назвали речовину на честь американського архітектора Річарда Бакмінстера Фуллера, який розробив геодезичний купол, на який певною мірою схожі молекули фулерену.

Фулерени — це тверді кристалічні речовини, які, на відміну від інших алотропних модифікацій, розчиняються в органічних розчинниках з утворенням яскраво забарвлених розчинів. Молекули фулеренів являють собою сфери або еліпсоїди (мал. 28.5, а, б).

Після присудження Нобелівської премії 2010 року весь світ дізнався про ще одну алотропну модифікацію Карбону — графен. Це двовимірна структура, утворена шаром атомів Карбону завтовшки в один атом (мал. 28.5, г). За певними оцінками в графену велика механічна міцність та рекордно велика теплопровідність і рухомість електронів. Він має перспективи застосування в наноелектроніці та, можливо, замінить силіцій у комп'ютерних мікросхемах.

Мал. 28.5. Будова алотропних модифікацій карбону: а — фулерен C60; б — фулерен C70; в — нанотрубка; г — графен

Вугілля. Поняття про адсорбцію

Під час прожарювання багатьох органічних речовин без доступу повітря утворюється аморфна модифікація Карбону — вуглець. Окремі часточки, з яких складається вуглець, за структурою нагадують графіт.

Лауреати Нобелівської премії з хімії 1996 р. за відкриття фулеренів

Вуглець, що утворюється під час прожарювання деревини, називають деревним вугіллям. Це тверда пориста маса, яка зберігає початкову структуру (мал. 28.6). Пори й канали у вугіллі частково заповнені аморфним вуглецем і золою. Під час обробки водяною парою пори вугілля очищуються, що значно збільшує внутрішню площу його поверхні. Таке вугілля називають активованим.

Мал. 28.6. Деревне вугілля зберігає структуру деревини

Через наявність величезної кількості пор загальна площа поверхні активованого вугілля може сягати 400 м2 на 1 г. Саме тому воно здатне поглинати гази, випари і деякі розчинені речовини, утримуючи їх на своїй поверхні. Це явище називають адсорбцією.

Британські вчені. Лауреати Нобелівської премії 2010 р. за винайдення технології добування графену

Активоване вугілля об'ємом 1 см3 може поглинути близько 500 мл хлору і лише 35 мл кисню: чим легше скраплюється газ, тим сильніше він поглинається вугіллям (мал. 28.7).

Мал. 28.7. Адсорбція різних газів активованим вугіллям масою 1 г за температури 15°С

На явищі адсорбції ґрунтується використання вугілля в захисних масках і протигазах. Найпростіший протигаз, створений 1915 року М. Д. Зелінським, складається з гумової маски й бляшаної коробки, наповненої активованим вугіллям. Вдихуване повітря проходить крізь шари активованого вугілля і очищується від отруйних газів і випарів (мал. 28.8, а).

Здатність вугілля до адсорбції використовують для знебарвлення цукрового сиропу, який через наявність домішок має жовтий колір.

У побуті вугільні фільтри використовують для очищення питної води від домішок органічних речовин, які надають їй кольору чи запаху, для видалення слідів хлору та іржі (мал. 28.8, б). Вугільні фільтри також застосовують в очисниках повітря. Вони здатні затримувати найдрібніші часточки пилу.

Таблетки активованого вугілля вживають у разі харчового отруєння (мал. 28.8, в).

Мал. 28.8. Застосування явища адсорбції: а — у протигазах; б — для очищення води; в — у медицині

За неповного згоряння багатьох органічних речовин утворюється сажа — чорний, жирний на дотик порошок. Сажа накопичується в грубних трубах, утворює нагар у двигунах внутрішнього згоряння. Сажа, як і деревне вугілля, являє собою аморфний вуглець, вона складається з дрібних сферичних часточок діаметром до 0,1 мм. Сажу використовують під час виготовлення гуми. Саме тому шини мають чорний колір. Додавання сажі збільшує міцність гумових виробів і подовжує термін їхньої служби. Сажа міститься у складі чорної друкарської фарби.

Олексій Олексійович Чуйко (1930-2006)

Український хімік. Розробив засади сучасної хімії поверхні ультрадисперсних речовин

Хімічні властивості вуглецю

Хімічні властивості різних алотропних модифікацій Карбону майже однакові, вони відрізняються переважно хімічною активністю. Але в більшості випадків для хімічних перетворень використовують вугілля (деревне, кам'яне), сажу або кокс.

1. Карбон — відновник. Багато неметалічних елементів мають електронегативність більшу за Карбон, із ними він виявляє відновні властивості. Карбон є відновником у багатьох промислово важливих процесах добування речовин:

• металів з оксидів:

• чадного газу:

• кальцій карбіду (ацетиленіду):

• синтез-газу:

2. Карбон — окисник. Окисні властивості Карбон виявляє в реакціях вуглецю з:

• воднем:

• металами:

Поширеність у природі та біологічне значення карбону

Незважаючи на те що Карбон є невід'ємною складовою живих організмів (близько 20 % маси людини), у природі його набагато менше, ніж Оксигену, Силіцію, Алюмінію й Гідрогену. В атмосфері Землі Карбон міститься переважно у складі вуглекислого газу (близько 0,03 % від об'єму), а в земній корі — у складі карбонатів (0,35 % від маси), наприклад кальцій карбонату, що утворює поклади мармуру, крейди і вапняку. Також Карбон є складовою бурого й кам'яного вугілля, горючих сланців, нафти та природного газу.

Властивість атомів Карбону утворювати довгі та різноманітні ланцюги зумовлює велике різноманіття органічних речовин. Карбон утворює багато груп біологічно важливих речовин: вуглеводів, білків, ліпідів, нуклеїнових кислот тощо. Саме вони є основою земного життя, а їхні властивості багато в чому визначають умови, у яких можуть існувати подібні до нас форми життя.

Ключова ідея

Не все те золото, що блищить.

Контрольні запитання

399. Схарактеризуйте валентні стани та можливі ступені окиснення Карбону.

400. Чому для атомів Карбону характерне утворення ковалентних зв'язків?

401. Схарактеризуйте поширеність у природі та біологічне значення Карбону.

402. Схарактеризуйте алотропні модифікаціїКарбону.

403. Яке вугілля називають активованим? Для чого його використовують?

404. Що таке адсорбція? Наведіть приклади цього явища і його застосування.

405. Схарактеризуйте хімічні властивості вуглецю.

406. Порівняйте будову алмазу і графіту та їхні властивості (колір, блиск, розчинність, твердість, крихкість, електропровідність).

Завдання для засвоєння матеріалу

407. Визначте ступені окиснення елементів у сполуках: CH4, CaC2, CO, HCOOH.

408. Випишіть рівняння реакцій із тексту параграфа і складіть для них електронний баланс. У яких із цих реакцій Карбон є окисником, а в яких — відновником?

409. Порівняйте типи хімічного зв'язку у вуглекислому газі, метані, алмазі, силі

цій карбіді.

410. Складіть рівняння реакцій відновлення вугіллям: а) купрум(І) оксиду, ферум(ІІІ) оксиду, манган(ІІ) оксиду до металів; б) кальцій сульфату до сульфіду.

411. Магній карбід MgC2 розкладається водою подібно до кальцій карбіду з утворенням етину, а берилій карбід Be2C — подібно до алюміній карбіду з виділенням метану. Складіть рівняння реакцій.

412. У промисловості кальцій карбід одержують в електропечах із суміші кальцій карбонату й вугілля. інший продукт реакції — карбон(ІІ) оксид. Складіть рівняння реакції.

Комплексні завдання

413. Обчисліть масу фулерену С60 кількістю речовини 0,5 моль.

414. Обчисліть масу коксу C, що буде потрібний для відновлення цинк оксиду масою 32,4 г, якщо одним із продуктів цієї реакції є карбон(ІІ) оксид.

415. Обчисліть об'єм вуглекислого газу (н. у.), що утвориться під час спалювання вуглецю масою 6 кг.

416. Під час піролізу метану CH4 за певних умов утворюються прості речовини. Обчисліть масу твердого продукту реакції піролізу метану об'ємом 56 м3 (н. у.), якщо відносний вихід продукту становить 95 %.

Міні-проекти

417. У додаткових джерелах знайдіть інформацію про застосування графіту й алмазу. У кожному випадку визначте, на якій властивості цих речовин ґрунтується їх використання.