Особые свойства углерода

Углерод выделяется среди других элементов своей способностью образовывать соединения, в которых его атомы связаны друг с другом в длинные цепи или кольца. Такое свойство называется катенацией. Именно это свойство позволяет углероду образовывать миллионы соединений, изучению которых посвящена целая областьхимии - органическая химия.

Способность углерода к катенации объясняется тем, что прочность связи  сопоставима с прочностью связей  Для сравнения укажем, что связь  намного прочнее связи Si—Si, как это видно по энтальпиям связей, которые указаны в табл. 15.7.

Как было уже указано в разд. 2.1, углерод обладает также уникальной способностью к гибридизации. Орбитали, на которых находятся четыре его валентных электрона, могут подвергаться гибридизации, образуя:

четыре -орбитали, имеющие тетраэдрическую ориентацию; с помощью этих орбиталей углерод образует простые ковалентные связи;

Таблица 15.7. Энтальпии связей, образуемых углеродом и кремнием

три -орбитали, ориентированные в одной плоскости; с помощью этих орбиталей углерод образует двойные связи;

две sр-орбитали, имеющие линейную ориентацию; с помощью этих орбиталей углерод может образовывать тройные связи.

Оксиды

Элементы IV группы образуют моноксиды, в которых они имеют степень окисления 4- 2, и диоксиды, в которых они имеют степень окисления  Способность образовывать устойчивые диоксиды уменьшается при перемещении к нижней части группы, а способность образовывать устойчивые моноксиды, наоборот, возрастает.

Диоксид углерода  Диоксид углерода в нормальных условиях находится в газообразном состоянии в форме линейных молекул (см. гл. 2). Это бесцветный газ, не имеет запаха, тяжелее воздуха. Твердый  имеет гранецентрированную кубическую структуру, подобную структуре иода (см. разд. 3.2). Он сублимирует (возгоняется) при температуре -78 °С.

Диоксид углерода представляет собой один из обычных продуктов сгорания углерода или любых углеродсодержащих соединений в условиях обильного поступления кислорода или воздуха. В лабораторных условиях его чаще всего получают, добавляя разбавленную соляную кислоту к карбонату кальция в форме мраморных крошек, что приводит к реакции

Диоксид углерода обладает кислотными свойствами, и при растворении этого газа в воде образуется угольнаякислота; при этом устанавливается целый ряд равновесий:

Аналитическая проба на диоксид углерода заключается в пропускании газа через разбавленный раствор гидроксида кальция (известковая вода). Диоксид углерода вызывает образование в этом растворе нерастворимого карбоната кальция, в результате чего раствор становится мутным:

Однако при добавлении избыточного количества  мутный раствор снова становится прозрачным из-за превращения нерастворимого карбоната кальция в растворимый гидрокарбонат кальция:

Диоксид углерода образует также карбонаты и (будучи в избытке) гидрокарбонаты при его пропускании через растворы других щелочей, например гидроксида натрия.

При нагревании с металлами, относящимися к верхней части электрохимического ряда напряжений, диоксид углерода восстанавливается до углерода. Например

Оксид . Оксид  называется также кремнеземом или диоксидом кремния. Он имеет каркасную кристаллическую структуру и существует в трех аллотропных формах: кварц, тридимит и кристобалит (см. разд. 3.2).

Это кислотный оксид; он реагирует со щелочами, образуя силикаты:

Диоксиды других элементов IV группы. Диоксиды всех остальных элементов IV группы, т. е.  представляют собой ионные соединения и обнаруживают амфотерные свойства. Оксид  при нагревании теряет кислород:

Моноксид углерода СО. Моноксид углерода - бесцветный и не имеющий запаха газ с сильным отравляющим действием (угарный газ). Его электронное строение можно представить себе как результат наложения трех резонансных форм (резонансным гибридом которых он является):

Моноксид углерода плохо растворим в воде и образует нейтральный раствор. При  и давлении 10 атм он реагирует с раствором гидроксида натрия, образуя метаноат натрия (формиат натрия):

Моноксид углерода легко окисляется; на воздухе он горит голубым пламенем, образуя диоксид углерода:

Он является хорошим восстановителем и благодаря этому используется для промышленного получения железа иникеля, например

Моноксид углерода реагирует с некоторыми элементами, образуя летучие карбонильные соединения. Например

Тетракарбонилникель (0)

Такие карбонильные соединения относятся к ковалентному типу и имеют тетраэдрическую структуру.

Другие оксиды. Оксид  и оксид -неустойчивые соединения. Оксид  при нагревании диспропорционирует (см. разд. 10.2):

Степень окисления 

Оксид  и оксид  обладают амфотерными свойствами. Тетраоксид трисвинца, или так называемый (свинцовый) сурик, представляет собой пример смешанного оксида: это смешанный оксид  Он имеет эмпирическую формулу  и состоит из двух частей РЬО и одной части  При нагревании он высвобождает кислород: