Углерод

УглеродРаспространенность углерода в земной коре, по разным данным, от 0,023 до 0,048%. Этот элемент встречается в составе каменного угля, углеводородов (природный газ, нефть), карбонатов (СаСО3 и др.), графита, алмазов. Имеет аллотропные модификации: алмаз, графит, фуллерены, карбин и другие.

Алмаз — аллотропная модификация углерода, характеризующаяся высокой твердостью (самое твердое вещество). Встречается в природе (главным образом на юге Африки и в Якутии) как редкий драгоценный прозрачный камень. Ограненный алмаз называют бриллиантом. В кристаллах алмаза атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации и образуют прочные ковалентные s-связи. Из всех аллотропных модификаций углерода алмаз обладает самой низкой химической активностью.

Графит — аллотропная модификация углерода, характеризующаяся слоистым строением кристаллов. Атомы углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации. Графит — мягкое, «жирное» на ощупь вещество. Единственный неметалл, который хорошо проводит электрический ток. Встречается как природный минерал. Аморфная масса, состоящая из мельчайших кристалликов графита, называется углем. Важнейшие технические сорта угля: кокс, древесный уголь и сажа.

Фуллерены — нaзвание аллотропной модификации углерода, объединяющее большую группу веществ, состав отдельных молекул которых отвечает формулам С60, С70, С76, и др. Атомы углерода, как и в графите, в молекулах фуллеренов находятся в состоянии sp2-гибридизации. Молекулы фуллеренов представляют собой замкнутые клетки, образованные соединенными по ребрам правильными пятиугольниками и шестиугольниками. Так, фуллерен С60 образован 20 шестиугольниками и 12 пятиугольниками. Радиус такой молекулы около 0,36 нм.

Карбин — синтетически полученная разновидность углерода, состоящая из линейных цепных полимеров. Атомы углерода находятся в состоянии sp-гибридизации.

Химические свойства углерода

Углерод — типичный восстановитель. Он окисляется кислородом, галогенами, концентрированными азотной и серной кислотами.

При окислении избытком кислорода образуется оксид углерода (IV) углекислый газ:

C + O2 = CO2

Оксид углерода (IV) реагирует с избытком угля и восстанавливается до оксида углерода (II) угарный газ:

C + CO2 2CO.

Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:

CuO + C Cu + CO

Это свойство углерода используется в металлургии.

При cильном нагревании угля с оксидами щелочноземельных металлов образуются карбиды:

CaO + 3C CaC2 + CO?

При сильном нагревании уголь реагирует с водяным паром:

C + H2O CO + H2

 

При нагревании уголь растворяется в концентрированных серной и азотной кислотах:

C + 2H2SO4 = CO2? + 2SO2? + 2H2O

C + 4HNO3 = CO2? + 4NO2? + 2H2O

Элементы подгруппы углерода

К элементам подгруппы углерода относятся элементы главной подгруппы IV группы (IVA группы): углерод C, кремний Si, германий Ge, олово Sn и свинец Pb.

Электронная конфигурация внешнего электронного слоя атомов ns2np2.