Химические свойства углерода

В таблице Менделеева химический элемент С имеет порядковый номер 6 и расположен во втором периоде IV группе главной подгруппе. Заряд ядра +6, вокруг ядра вращается 6 электронов. Графическая электронная формула выглядит так:

В невозбужденном состоянии на внешнем слое расположено 2 неспаренных электрона. За счет их атом углерода может образовать 2 ковалентные связи по обменному механизму. Однако валентность, равная 2, для углерода в соединениях нехарактерна.

В возбужденном состоянии число неспаренных электронов и возможное значение валентности увеличивается до 4.

Углерод в соединениях может проявлять как положительную, так и отрицательную степень окисления.

Положительную степень окисления атомы углерода проявляют при взаимодействии с более электроотрицательными атомами, чем сами (F, Сl, O, N, S). В этом случае они выступают в роли восстановителя и отдают другим атомам с внешнего слоя свои неспаренные электроны. Величина степени окисления при этом может быть равна +2 (в невозбужденном состоянии) или +4 (в возбужденном состоянии). Степень окисления +2 для углерода мало характерна, так как такие его соединения (за исключением СО) мало устойчивы и легко превращаются уже в момент образования в соединения со степенью окисления углерода +4.

Отрицательную степень окисления атомы С проявляют при взаимодействии с атомами менее электроотрицательных элементов, чем сами (Si, P, H, Ме). В этом случае они выступают в роли окислителя и забирают от других атомов 4 недостающих до завершения своего внешнего слоя электрона.

При нагревании С реагирует с F₂:

С + 2F₂

Однако аналогичная реакция с Сl₂ не идет и четыреххлористый углерод ССl₄ получают косвенным путем:

СS₂ + 2Cl₂ = CCl₄ + 2S

или:

СН₄ + 4Сl₂ ССl₄ + 4НСl

Эта реакция протекает по радикальному механизму в 4 этапа:

СН₄ + Сl₂ СH₃Сl + НСl

СН₃Cl + Сl₂ СH₂Cl₂ + НСl и т.д.

С кислородом при нагревании углерод образует 2 оксида:

1) 2С + О₂ = 2 углерод(II)-оксид или угарный газ

Это ядовитый газ, без цвета и запаха, образуется при недостатке О₂.

Устойчивость этого соединения объясняется тем, что атомы С и О образуют в нем между собой 3 связи: две по обменному механизму, а одну по донорно-акцепторному (С О ). Причем, атом С предоставляет для образования связи свободную орбиталь (является акцептором), а О – электронную пару (выступает в роли донора).

2) С + О₂ = углерод(IV)-оксид или углекислый газ

Это газ, без цвета, запаха, не поддерживает дыхания, образуется в избытке О₂.

При нагревании с серой углерод образует сероуглерод СS₂:

C + 2S

При высоких температурах (t > 2000^оС) углерод реагирует с азотом, образуя дициан:

N₂ + 2C ( )₂

При нагревании в присутствии катализаторов углерод образует с Н₂ метан:

С + 2Н₂ СН₄

Реакция является обратимой, в зависимости от условий могут образоваться и другие углеводороды: С₂Н₆ (этан) и т.д.

При высоких температурах углерод и кремний образуют карбид кремния или карборунд:

Si + C (по прочности почти не уступает алмазу)

При нагревании с активными металлами (щелочными, щелочноземельными, Al) углерод образует карбиды, которые можно рассматривать как производные ацетилена (Na₂C₂, CaC₂) или метана (Al₄C₃):

2 Na + 2C натрий-карбид

Сa + 2C кальций-карбид

4Al + 3C алюминий-карбид

Карбиды металлов легко разлагаются водой и растворами кислот:

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃ + 3CH₄

Al₄C₃ + 12HCl = 4AlCl₃ + 3CH₄

CaC₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + C₂H₂ ацетилен

CaC₂ + 2HСl = CaCl₂ + C₂H₂

Углерод взаимодействует и со сложными веществами. Так, он восстанавливает многие металлы из их оксидов:

2FeO + C 2Fe + CO₂↑

В случае оксидов активных металлов (щелочных, щелочноземельных, алюминия, магния) в этих условиях одновременно образуются карбиды:

СаO + 3C СаС₂ + CO↑

поэтому для получения указанных металлов в чистом виде из их оксидов углерод не используется.

Углерод окисляется Н₂SO_{4 конц.} и HNO_{3 конц. и разб.}

C + 2H₂SO₄ → CO₂ + 2SO₂ + 2H₂O

3C + 4HNO_{3 разб.} → 3CO₂ + 4NO + 2H₂O

При прокаливании реагирует с Н₂O:

C + H₂O CO + H₂ или C + 2H₂O CO₂ + 2H₂