Подгруппа углерода. Углерод (стр. 2 из 3)

При нагревании оксид углерода (IV) улетучивается, и равновесие смещается влево, а при прибавлении щелочи происходит связывание ионов Н⁺ и смещение равновесия вправо.

Угольная кислота слабая. В водном растворе соли угольной кислоты гидролизуются. Растворы средних солей карбонатов обладают сильной щелочной реакцией:

CO₃^2- + H₂O = HCO₃^- + OH^-

Наиболее распространен в природе карбонат кальция(известняк, мрамор, мел и т.д.). Залежи пород, содержащих карбонат кальция , особенно известняка, встречаются довольно часто. Поэтому одной из задач краеведческой работы в районах с кислыми почвами должны быть поиски месторождений известняка.

Из искусственно получаемых карбонатов большое значение имеет карбонат натрия Na₂CO₃. Безводный карбонат натрия известен под названием кальцинированной соды, а кристаллогидрат Na₂CO_3*10H₂O - кристаллической соды. Соду применяют для производства мыла, стекла, а в быту для стирки белья.

При насыщении раствора соды углекислым газом она переходит в гидрокарбонат натрия NaHCO₃. Гидрокарбонат натрия продают в аптеках и продовольственных магазинах под названием питьевой соды. Ее принимают внутрь при изжоге, вызванной избытком в желудочном соке соляной кислоты. Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении.

При нагревании она разлагается с выделением углекислого газа и паров воды:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + СО₂

Поэтому питьевую соду вводят в состав хлебопекарных порошков, добавляемых к тесту. Такое тесто подходит без применения дрожжей и заквасок, наполняясь пузырьками углекислого газа, и выпеченный из него продукт получается пористым и мягким.

Аллотропные видоизменения углерода.

Рис.1 Модель решетки алмаза.

Углерод существует в трех аллотропных модификациях: алмаз, графит и карбин.

Две основные разновидности углерода - графит и алмаз - существенно отличаются по свойствам. Мягкий графит имеет слоистое строение (рис. 2).Все атомы углерода находятся здесь в состоянии sp²-гибридизации: каждый из них образует три ковалентные связи с соседними атомами, причем углы между направлениями связи равны 120°. Графит электропроводен и хорошо раскалывается по плоскости. В обычных условиях графит и является наиболее устойчивой модификацией. Переход графита в алмаз возможен при очень высоких давлениях (порядка 125000 атм) и температурах (около 3000 °С). Однако исследование этого процесса сначала с теоретических позиций, а затем экспериментальным путем показало, что в присутствии катализаторов (железо, платина) графит превращается в алмаз уже при давлении 60000—80000 атм и температуре 1400—1600 °С. В настоящее время налажено производство искусственных алмазов для технических целей, причем размеры их обычно колеблются от 0,5 до 4 мм; в отдельных случаях удается получить и большие экземпляры. Структура алмаза (рис. 1) типично тетраэдрическая; атомы углерода прочно соединены за счет перекрытия sp³-орбиталей. Хотя в обычных условиях алмаз нестабилен, но практически он может сохраняться неопределенно долгое время. При сильном накаливании алмаза происходит его постепенная графитизация.

Физические свойства алмаза и графита.

Алмаз	Графит
Прозрачен, бесцветен. Не проводит электрический ток, так как нет свободных электронов. Самое твердое из природных веществ.	Непрозрачен, серого цвета с металлическим блеском. Довольно хорошо проводит электрический ток, благодаря наличию подвижных электронов. Скользок на ощупь. Одно из самых мягких среди твердых веществ.

Алмаз - самое твердое природное вещество. Кристаллы алмазов высоко ценятся и как технический материал, и как драгоценное украшение. Хорошо отшлифованный алмаз - бриллиант. Преломляя лучи света, он сверкает чистыми, яркими цветами радуги.

Размеры мировой добычи алмазов очень незначительны - гораздо меньше, чем благородных металлов - золота и платины. Из алмазов делают наконечники буров для сверления твердых горных пород. Также алмазы применяют для резки стекла и в виде «алмазного инструмента»(резцы, сверла, шлифовальные круги). Алмазным порошком шлифуют бриллианты и твердые сорта стали. Самый крупный из когда-либо найденных алмазов весит 602 г, имеет длину 11 см, ширину 5 см, высоту 6 см. Этот алмаз был найден в 1905 г и носит имя «Кэллиан».

Один из самых крохотных в мире граненых алмазов, весом всего лишь 0,25 мг(в 4000 раз легче копеечной монетки), демонстрировался на всемирной выставке в Брюсселе. Несмотря на ничтожный вес и размер - зернышко объемом 0,07 мм³ ,- искусные руки гранильщика нанесли на нем на нем 57 граней, рассмотреть которые можно только под микроскопом.

Рис.2 Модель решетки графита.

В 1967 г. Б.В. Дерягин и Д.В. Федосеев вырастили на грани алмаза нитеобразный кристалл («алмазные усы»). Рост происходил при высокой температуре, причем источником углерода служил метан; за четыре часа кристаллическая нить вырастала на 1 мм, что, вообще говоря, очень много для процессов такого рода.

Большая часть образцов аморфного угля состоит из искаженных кристаллов графита. Характерное расположение атомов углерода по углам шестиугольника при этом сохраняется.

В решетках графита часто встречаются разнообразные дефекты структуры, как структурные, так и химические, связанные с захватом ионов и атомов. В решетку графита могут внедряться (А. Убеллоде, Ф. Льюис) атомы бора, кислорода, серы и т. п., образующие связи между слоями и влияющие на проводимость графита. Графит образует своеобразные химические соединения, в которых присоединяющиеся частицы размещаются между плоскостями, занятыми атомами углерода.

При нагревании графита в парах щелочных металлов получаются легко окисляющиеся соединения. Так, при 400 °С калий образует соединение C₈K. Состав соединений сильно зависит от температуры и изменяется в широких пределах. Известны соединения графита с рубидием, цезием; для натрия и лития четких результатов пока нет; натрий, по-видимому, дает соединение C₆₄Na фиолетового цвета.

Графит дает также соединения с металлами, аммиаком и аминами типа MeC₁₂(NH₃)₂. Решетка графита во всех случаях расширяется при образовании соединений, и межплоскостное расстояние достигает 0,66 нм, а для метиламинового комплекса лития даже до 0,69 нм. Получены соединения: C₉Br, C₅CI, C₈CI, CF.

Тифлон (CF) серого цвета, изолятор, не похож на другие соединения типа соединений «внедрения». Предполагается образование в нем ковалентных связей фтор - углерод.

Графит раньше применялся как пишущее средство. С XIX века и по сей день используют графитовые электроды в металлургии и химической промышленности, например в производстве алюминия: металл осаждается на графитовом катоде. Сейчас нашли применение графитизированные стали, то есть стали с добавлением монокристаллов графита. Эти стали используют при изготовлении коленчатых валов, поршней и других деталей, где особенно важна высокая прочность и твердость материала.

Графит играет важную роль в электротехнической промышленности и атомной энергетике, где его используют в качестве замедлителя нейтронов. С помощью графитовых стержней регулируют скорость реакции в атомных котлах.

Способность графита расщепляться на чешуйки позволяет делать на его основе смазочные вещества. Графит - прекрасный проводник теплоты, при этом он может выдержать значительные температуры до 3000 °С и выше. К тому же он химически довольно стоек. Эти свойства нашли применение в производстве графитовых теплообменников и в ракетной технике(для изготовления рулей и сопловых аппаратов.

Третья модификация - карбин- была открыта в начале 1960-х годов. Карбин представляет собой порошок глубокого черного цвета с вкраплением более крупных частиц. Электроны в атоме углерода в карбине имеют sp-гибридизацию, т.е. это цепочечный полимер, который встречается в виде двух форм.

Оказалось, что карбин - самая термодинамически устойчивая форма элементарного углерода. В тех условиях, при которых графит переходит в алмаз за 30 минут, карбин не изменяется и после 15 часов выдержки.

Тогда же, в начале 1960-х годов, был открыт и так называемый зеркальный углерод, имеющий, как и графит, слоистое строение, но связи между слоями здесь не слабые межмолекулярные, как в графите, а химические, более прочные. Одна из важнейших особенностей зеркального углерода (кроме твердости, стойкости к высоким температурам и т. д.) - его биологическая совместимость с живыми тканями.

Адсорбция.

Свободный углерод (в виде, например, древесного угля) не только нелетуч, но и неплавок. Поэтому в таком угле сохраняется тонкопористое строение древесины, все тончайшие каналы, по которым в дереве перемещались растворы минеральных солей. Если измерить поверхность всех частиц, находящихся в угольном порошке массой 1 г, или всех пор и каналов в 1 г древесного угля, получится площадь во много десятков и даже сотен квадратных метров.

Поместим в колбу, содержащую воздух с примесью оксида азота (IV), кусочки угля или всыплем в нее толченый уголь. Бурая окраска газа исчезнет: оксид азота (IV) поглотится углем. Нагреем уголь, и оксид азота (IV) в колбе появится вновь. Взболтаем с угольным порошком раствор лакмуса. Окраска раствора тоже исчезнет, лакмус поглотится углем.