12.2. Карбон та його неорганічні сполуки

Карбон - один з найважливіших елементів у природі. Його сполуки становлять основу живої природи - флори і фауни.

У неживій природі найпоширенішими сполуками карбону є солі карбонати, які утворюють такі мінерали ж вапняк, крейда, мармур (усі вони складаються з СаСО₃), магнезит MgCO₃, доломіт CaCO₃∙MgCO₃, залізний шпат FеСО₃, малахіт CuCO₃∙Cu(OH)₂. Крім того, карбон входить до складу вугілля, нафти, природного газу, торфу, сланців та атмосфери у вигляді СО₂.

У природі вуглець зустрічається також у вигляді трьох алотропних модифікацій — алмазу, графіту, карбіну. Це тверді речовини з атомними кристалічними решітками, які відрізняються будовою кристалів і фізичними властивостями. Різновидами графіту є кокс, деревне вугілля, сажа.

Хімічні властивості. Карбон міститься в головній підгрупі четвертої групи періодичної системи. Електронна конфігурація зовнішнього рівня його атомів 2s²2p². У незбудженому стані атом карбон має на р-підрівні зовнішнього рівня два неспарених електрони та вільну р-орбіталь, на яку під час збудження атома може переходити розпарований електрон s-підрівня, внаслідок чого утворюються чотири неспарених електрони:

У відповідності до такої електронної будови атом карбону у своїх сполуках може бути дво- та чотиривалентним і виявляти ступені окиснення -4, +2, +4.

Вуглець - типовий неметал, утворює сполуки переважно з ковалентним зв'язком. Унікальність вуглецю полягає в здатності його атомів з'єднуватися між собою в довгі ланцюги, в тому числі циклічні, утворюючи велику кількість органічних сполук.

За звичайних умов вуглець хімічно малоактивний, однак при нагріванні взаємодіє з багатьма речовинами - киснем, сіркою, азотом, металами, оксидами металів, виявляючи властивості як відновника, так і окисника, причому відновні властивості виявляються сильніше, ніж окисні.

Найбільш реакційноздатною формою є аморфний вуглець (дуже дрібні кристалики графіту з великою поверхнею), найінертнішім є алмаз.

Відновні властивості вуглецю реалізуються в реакціях з більш електронегативними неметалами: фтором, киснем, сіркою, азотом, а також з оксидами металів і водою. Наприклад:

Вуглець горить у повітрі. Продукт реакції залежить від кількості кисню, при його надлишку утворюється СО₂, при нестачі - CO:

С + О₂ → СО₂; 2С + О₂ → 2СО

Вуглець стійкий до дії лугів та кислот. Лише концентрована азотна та сірчана кислоти за температури 100°С окислюють його до СО₂

С + 4HNO_3(конц) → СО₂ + 4NO₂ + 2Н₂О

С + 2H₂SO_{4 (конц)} → СО₂ + 2SO₂ + 2Н₂О.

Окисні властивості вуглецю виявляються у взаємодії його з металами, а також з менш електронегативними неметалами (воднем, бором, кремнієм):

Оксигенвмісні сполуки Карбону. Карбон утворює два оксиди: оксид карбону (II) CO та оксид карбону (IV) СО₂.

Оксид карбону (II) (моно оксид або чадний газ). Це безбарвний отруйний газ, без запаху, дуже мало розчинний у воді. Він утворюється при згорянні різного палива (дров, вугілля, природного газу) при нестачі кисню. Цей оксид є несолетворним і за звичайних умов не взаємодіє з водою, кислотами, лугами. При підвищених температурах він схильний до реакцій приєднання та окиснення - відновлення.

Оксид карбону(II) горить у повітрі та кисні блакитним полум'ям з виділенням великої кількості теплоти:

2СО + О₂ → 2СО₂.

На цьому засноване його використання як палива. Так, він входить до складу деяких газових горючих сумішей: генераторного газу (CO в суміші з азотом) і водяного газу (CO в суміші з воднем).

Оксид карбону(II) є сильним відновником, тому в промисловості його використовують для відновлення металів з їхніх оксидів:

Fe₂O₃ + 3СО → 2Fe + 3СО₂.

Оксид карбону(IV) (діоксид вуглецю, вуглекислий газ) СО₂. Це безбарвний газ, без запаху. При зниженій температурі або підвищеному тиску СО₂ переходить у тверду снігоподібну масу (сухий лід), який сублімується, тобто знов перетворюється в газ, минаючи рідкий стан.

У промисловості СО₂ добувають випалюванням вапняку

У лабораторії СО₂ добувають дією кислот на карбонати

СаСО₃ + 2НС1 → СаС1₂ + СО₂ + Н₂О.

Оксид карбону (IV) виявляє всі властивості кислотних оксидів і взаємодіє з основними оксидами і лугами, утворюючи солі карбонатної кислоти - карбонати і гідрокарбонати:

СО₂ + СаО → СаСО₃

СО₂ + Са(ОН)₂ → СаСО₃ + Н₂О

2СO₂+Са(ОН)₂ → Сa(НСО₃)₂.

Оксид карбону (IV) розчиняється у воді з утворенням карбонатної кислоти:

СО₂ + Н₂О ⇄ Н₂СО₃.

Рівновага дуже зміщена в бік вихідних речовин, тобто дуже мало розчиненого СО₂ перетворюється на кислоту.

Карбонатна кислота та її солі. У вільному стані карбонатна кислота невідома, оскільки вона нестійка і легко розкладається. Це дуже слабка двохосновна кислота, яка у водному розчині дисоціює ступінчасто:

Н₂СО₃⇄Н⁺ + НСО₃^-; К₁ = 4∙10^-7

НСО₃⇄ Н⁺ + СО₂^2- K₂ = 5∙10^-11

При розчиненні СО₂ у воді в розчині встановлюється динамічна рівновага – карбонатна рівновага:

Оскільки дисоціація карбонатної кислоти за другим ступенем дуже незначна, то основна карбонатна рівновага являє собою систему з вільної кислоти і гідрокарбонат-іонів:

СО₂ + Н₂О ⇄ НСОз ⇄Н⁺+ НСО₃^-.

Для карбонатної кислоти характерні всі властивості кислот. Як двоосновна кислота вона утворює два типи солей: середні солі – карбонати і кислі – гідрокарбонати. Усі солі карбонатної кислоти розкладаються при нагріванні:

Першу реакцію використовують для пом'якшення води, другу для добування СаО (негашеного вапна) ти вуглекислого газу в техніці. Під дією сильних кислот на солі карбонатної кислоти виділяється вуглекислий газ:

Взаємодію солей карбонатної кислоти з сильними кислотами використовують для того, щоб відрізнити їх від інших солей. На зразок, який аналізують, діють кислотою; СО₂, який виділяється, пропускають через вапняну воду (насичений розчин Са(ОН₂) і внаслідок осідання малорозчинного карбонату кальцію розчин мутніє Всі гідрокарбонати, карбонати лужних металів і амонію добре розчиняються у воді. Карбонати інших металів у воді не розчиняються. Розчини карбонатів мають лужну реакцію внаслідок гідролізу:

СО₃^2- + Н₂О ⇄ НСО₃^- +ОН^- (рН>7).

У природі гідрокарбонати утворюються, коли породи, що містять СаСО₃, зазнають дії води та розчиненого в ній СО₂. При достатньому вмісті СО₂ в природних водах вони можуть розчиняти вапняк, перетворюючи нерозчинний карбонат кальцію на розчинний гідрокарбонат:

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ ⇄ Са(НСО₃)₂

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ ⇄ Са²⁺ + 2НСО₃^-.

Цей процес є причиною появи солей твердості в природних водах. При цьому встановлюється рівновага між нерозчинними карбонатами і розчинними гідрокарбонатами (вуглекислотна рівновага). Константа цієї рівноваги в присутності твердої фази СаСО₃ при практично постійній концентрації води має вигляд:

і називається константою карбонатної рівноваги.

Та частина розчиненого в воді діоксиду вуглецю, яка входить до виразу константи карбонатної рівноваги між карбонатами і гідрокарбонатами називається рівноважним або неактивним діоксидом вуглецю. Підвищення концентрації СО₂ в розчині викликає перехід відповідної кількості карбонату кальцію в гідрокарбонат, що супроводжується зниженням концентрації СО₂ до рівноважної. Тому кількість СО₂, надлишкова по відношенню до рівноважної, носить назву агресивного діоксиду вуглецю. Якщо така підвищена концентрація СО₂ у воді підтримується за рахунок надходження його ззовні, то вода стає агресивною по відношенню, до карбонату кальцію, тобто розчиняє його.

У протилежному випадку, тобто при зниженні концентрації СО₂, гідрокарбонат кальцію розкладається з виділенням в осад СаСО₃. В природних умовах такий процес відбувається, коли глибинні води, насичені діоксидом вуглецю під тиском, виходять на поверхню.

Використання. Матеріали, що містять карбон, широко застосовуються в народному господарстві. Значна кількість коксу використовується при добуванні кремнію, для виробництва активованого вугілля. Вугілля різних видів застосовується для добування металів і карбідів.

Алмаз у промисловості застосовується для різання скла, шліфування металів та інших твердих матеріалів. Його великі прозорі відшліфовані кристали (діаманти) використовують для виготовлення ювелірних прикрас. Графіт добре проводить електричний струм і тепло, його використовують для виготовлення електродів, олівців і як мастило.

Активоване вугілля використовують для поглинання пари летких речовин з повітря та газових сумішей (наприклад у протигазах), для очищення води, продуктів харчування, а також як каталізатор у деяких хімічних виробництвах.

Важливе практичне значення мають різні карбонати. Карбонат натрію Na₂CO₃ застосовується у виробництві скла, мила і миючих засобів. Карбонат кальцію СаСО₃ є основним компонентом природних матеріалів: вапняку, крейди, мармуру, які широко застосовуються у будівництві. Крім того, він є сировиною для добування цементу, вапна.