Углерод

Углерод – один из самых уникальных элементов, на котором построено множество неорганических соединений и все органические соединения. Для углерода как элемента четвёртой группы главной подгруппы характерны степени окисления: -4, -1, 0, +2, +4 – соответствующие примеры приведены в таблице:

Обратим внимание:

• Углерод C образует сразу 3 аллотропных модификации: графит и алмаз с атомной кристаллической решёткой, а также фуллерен с молекулярной решёткой;
• В угарном газе очень интересная ситуация: степень окисления углерода равна +2, а валентность равна III, что связано с тем, что между углеродом и кислородом образована дополнительная донорно-акцепторная связь.

Рассмотрим химические свойства углерода в различных степенях окисления.

Степень окисления 0

Углерод обычно выступает восстановителем, вступая в реакции с различными окислителями типа кислот-окислителей, кислорода и фтора, при этом обычно получаются производные углерода в степени окисления +4:

3C + 4HNO₃(разб.) = 3CO₂ + 4NO + 2H₂O

C + 2F₂ = CF₄

C + O₂ = CO₂

Также углеродом можно восстанавливать оксиды металлов:

ZnO + C = Zn + CO

С металлами и неметаллами, обладающими меньшей электроотрицательностью чем углерод, образуются соответствующие карбиды:

Ca + 2C = CaC₂

C + 2H₂ = CH₄

Si + C = SiC

Степень окисления +2

Характерный представитель данной степени окисления из неорганических веществ суть угарный газ (монооксид углерода) CO – бесцветный токсичный газ без запаха, несолеобразующий оксид. Его можно получить, например, из углекислого газа:

CO₂ + C = 2CO

Угарный газ легко окисляется кислородом до углекислого газа:

2CO + O₂ = 2CO₂

Интересны реакции угарного газа с водородом и щёлочью, дающие соответственно метанол и соль муравьиной кислоты:

CO + 2H₂ = CH₃OH

CO + NaOH = HCOONa

Степень окисления +4

Характерные представители: соли, образованные карбонат-ионом CO₃^2-, гидрокарбонат-ионом HCO₃^—, и, конечно, углекислый газ (диоксид углерода) CO₂. Начнём с последнего, углекислый газ – типичный кислотный оксид, имеющие следующие физические свойства при нормальных условиях: бесцветный газ без запаха. Водный раствор CO₂ называется угольной кислотой H₂CO₃, которая является неустойчивой и относительно легко разлагается на углекислый газ и воду:

H₂CO₃ = CO₂ + H₂O

Очень показательна реакция такой щёлочи как гидроксид кальция с углекислым газом:

Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃ + H₂O

Первоначально в этой реакции образуется средняя соль – осадок карбоната кальция, которая затем в избытке углекислого газа даёт кислую соль – уже растворимый в воде гидрокарбонат кальция:

CaCO₃ + CO₂ + H₂O = Ca(HCO₃)₂

Углекислый газ как кислотный оксид способен разрушать комплексные гидроксиды:

Na₂[Zn(OH)₄] + 2CO₂ = 2NaHCO₃ + Zn(OH)₂
(углекислый газ взят в избытке, поэтому образовалась кислая соль)

Для карбонатов (средних или основных солей) и гидрокарбонатов (кислых солей) характерны реакции ионного обмена. Так, карбонаты и гидрокарбонаты разлагаются кислотами с образованием углекислого газа:

KHCO₃ + HCl = KCl + CO₂ + H₂O

(CuOH)₂CO₃ + 2H₂SO₄ = 2CuSO₄ + CO₂ + 3H₂O

Особый интерес представляют реакции совместного гидролиза:

2CuCl₂ + 2Na₂CO₃ + H₂O = (CuOH)₂CO₃ + CO₂ + 4NaCl

Al(NO₃)₃ + 3KHCO₃ = Al(OH)₃ + 3CO₂ + 3KNO₃

Некоторые карбонаты и гидрокарбонаты также склонны к реакциям термического разложения:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

CaCO₃ = CaO + CO₂

Степени окисления -4, -1

Перечислим ключевые особенности карбидов:

• В карборунде (карбиде кремния) SiC осуществляется ковалентная-полярная связь между кремнием и углеродом, вещество имеет атомную решётку.
• Карбиды кальция CaC₂ и алюминия Al₄C₃ имеет ионную решётку и подвергаются гидролизу, давая соответственно ацетилен (поэтому карбид кальция ещё называют ацетиленидом кальция) и метан (поэтому карбид алюминия ещё называют метанидом алюминия):

Al₄C₃ + 12HCl = 4AlCl₃ + 3CH₄

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂

Резюме

• Углерод – чрезвычайно важный элемент, на котором построены все органические вещества и множество неорганических веществ.
• Углерод образует три аллотропных модификации: графит, алмаз и фуллерен.
• Характерные степени окисления углерода: -4, -1, 0, +2 и +4.

Примеры задач на эту тему:

Задание 1. Задача №6 (первая часть)

Даны две пробирки с раствором хлороводорода. К первой пробирке добавили раствор вещества X, ко второй — раствор вещества Y. В результате в первой пробирке наблюдали выпадение осадка, а во второй пробирке — выделение газа. Из предложенного перечня выберите вещества X и Y, которые могут вступать в описанную реакцию.

1. Са(НСО₃)₂
2. AgBr
3. Ba(NO₃)₂
4. Аl(ОН)₃
5. K₂SiO₃

Задание 2. Задача №30 (вторая часть)

Для выполнения задания используйте следующий перечень веществ:

гидрокарбонат натрия, соляная кислота, серная кислота, сульфат бария, сульфид меди(II), метан. Допустимо использование воды в качестве среды протекания реакции.

Из предложенного перечня выберите два сильных электролита, которые вступают в реакцию ионного обмена с образованием кислой соли. Запишите молекулярное, полное и сокращённое ионное уравнения реакции с участием выбранных веществ.

Задание 3. Задача №31 (вторая часть)

Твёрдый карбид алюминия растворили в воде. Полученный газ сожгли, соответствующие продукты сгорания пропустили через раствор гидроксида кальция, наблюдая в начале выпадение осадка, а затем его растворение. Напишите уравнения четырёх описанных реакций.

Определения:

1. Органические вещества – вещества, содержащие как минимум одну связь углерод-углерод, а также связь углерод-водород.
2. Аллотропные модификации – простые вещества, которые отличаются положением атомов друг относительно друга.
3. Кислоты-окислители – кислоты, проявляющие окислительные свойства за счёт атома в высокой степени окисления (за исключением H⁺¹), примеры: концентрированная H₂SO₄ и HNO₃ в любой концентрации.
4. Карбиды – бинарные вещества, содержащие углерод, в которых у углерода отрицательная степень окисления.
5. Несолеобразующий оксид – оксид, которому, по-сути, не соответствует никакая кислота или основание, такой оксид не вступает в кислотно-основные реакции.
6. Кислотный оксид – оксид, которому соответствует кислота и который реагирует с основаниями.