Szén-oxidok (II) és (IV)

Integrált kémia és biológia óra

Feladatok: a szén-oxidokkal (II) és (IV) kapcsolatos ismeretek tanulmányozása és rendszerezése; feltárja az élő és az élettelen természet kapcsolatát; a szén-oxidok emberi szervezetre gyakorolt ​​hatásával kapcsolatos ismeretek megszilárdítása; erősítse készségeit a laboratóriumi berendezésekkel való munkavégzésben.

Felszerelés: HCl oldat, lakmusz, Ca(OH) 2, CaCO 3, üvegrúd, házi készítésű asztalok, hordozható tábla, golyós-botos modell.

AZ ÓRÁK ALATT

biológia tanár közli az óra témáját és céljait.

Kémia tanár. A kovalens kötések tana alapján állítsa össze a (II) és (IV) szén-oxidok elektron- és szerkezeti képleteit!

A szén-monoxid (II) kémiai képlete CO, a szénatom normál állapotban van.

A párosítatlan elektronok párosítása miatt két poláris kovalens kötés jön létre, a harmadik kovalens kötés pedig a donor-akceptor mechanizmussal jön létre. A donor egy oxigénatom, mert szabad elektronpárt biztosít; az akceptor egy szénatom, mert üres pályát biztosít.

Az iparban a szén(II)-monoxidot úgy állítják elő, hogy CO 2 -t vezetnek át forró szénen magas hőmérsékleten. A szén oxigénhiányos égése során is keletkezik. ( Egy tanuló felírja a reakcióegyenletet a táblára)

A laboratóriumban a CO tömény H 2 SO 4 hangyasav hatására keletkezik. ( A tanár felírja a reakcióegyenletet.)

biológia tanár. Tehát megismerkedett a szén-monoxid (II) előállításával. Milyen fizikai tulajdonságai vannak a szén-monoxidnak (II)?

Diák. Színtelen gáz, mérgező, szagtalan, a levegőnél könnyebb, vízben rosszul oldódik, forráspontja –191,5 °C, –205 °C-on megszilárdul.

Kémia tanár. A szén-monoxid az autók kipufogógázaiban emberi életre veszélyes mennyiségben található. Ezért a garázsokat jól szellőztetni kell, különösen a motor indításakor.

biológia tanár. Milyen hatással van a szén-monoxid az emberi szervezetre?

Diák. A szén-monoxid rendkívül mérgező az emberre – ez azzal magyarázható, hogy karboxihemoglobint képez. A karboxihemoglobin nagyon erős vegyület. Képződése következtében a vér hemoglobinja nem lép kölcsönhatásba az oxigénnel, és súlyos mérgezés esetén az ember meghalhat az oxigén éhezésben.

biológia tanár. Milyen elsősegélyt kell nyújtani egy személynek szén-monoxid-mérgezés esetén?

Diákok. Mentőt kell hívni, a sérültet ki kell vinni a szabadba, mesterséges lélegeztetést kell végezni, a helyiséget jól szellőztetni kell.

Kémia tanár.Írja fel a szén-monoxid (IV) kémiai képletét, és a golyó-bot modell segítségével készítse el szerkezetét!

A szénatom gerjesztett állapotban van. Mind a négy poláris kovalens kötés párosítatlan elektronok párosításával jön létre. Lineáris szerkezete miatt azonban molekulája összességében nem poláris.
Az iparban a CO 2 -t a mészgyártás során a kalcium-karbonát lebontásából nyerik.
(Egy tanuló felírja a reakcióegyenletet.)

A laboratóriumban a CO 2 -t savak krétával vagy márvánnyal való reagáltatásával nyerik.
(A tanulók laboratóriumi kísérletet végeznek.)

biológia tanár. Milyen folyamatok eredményeképpen szén-dioxid képződik a szervezetben?

Diák. A szén-dioxid a szervezetben a sejtet alkotó szerves anyagok oxidációs reakcióinak eredményeként képződik.

(A tanulók laboratóriumi kísérletet végeznek.)

A mészhabarcs zavarossá vált, mert kalcium-karbonát keletkezik. A légzési folyamaton kívül az erjedés és a bomlás következtében CO2 szabadul fel.

biológia tanár. A fizikai aktivitás befolyásolja a légzési folyamatot?

Diák. Túlzott fizikai (izom) igénybevétel esetén az izmok gyorsabban használják fel az oxigént, mint amennyit a vér szállítani képes, majd fermentáció útján szintetizálják a munkájukhoz szükséges ATP-t. Az izmokban tejsav C 3 H 6 O 3 képződik, amely a vérbe kerül. A nagy mennyiségű tejsav felhalmozódása káros a szervezetre. A nehéz fizikai aktivitás után egy ideig továbbra is erősen lélegzünk - kifizetjük az „oxigéntartozást”.

Kémia tanár. Fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor nagy mennyiségű szén-monoxid (IV) kerül a légkörbe. Itthon földgázt használunk tüzelőanyagként, ami közel 90%-ban metánból (CH 4) áll. Megkérem az egyiket, hogy menjen a táblához, írja le a reakció egyenletét, és elemezze azt az oxidáció-redukció szempontjából.

biológia tanár. Miért nem lehet gáztűzhellyel fűteni egy szobát?

Diák. A metán a földgáz egyik összetevője. Égéskor a levegő szén-dioxid-tartalma megnő, az oxigéntartalom pedig csökken. ( Munka a tartalomjegyzékkel CO 2 levegőben".)
Ha a levegő 0,3% CO 2 -t tartalmaz, az ember gyors légzést tapasztal; 10% -nál - eszméletvesztés, 20% -nál - azonnali bénulás és gyors halál. A gyermeknek különösen szüksége van a tiszta levegőre, mert a növekvő szervezet szöveteinek oxigénfogyasztása nagyobb, mint egy felnőtté. Ezért szükséges a helyiség rendszeres szellőztetése. Ha többlet CO 2 van a vérben, a légzőközpont ingerlékenysége megnő, a légzés gyakoribbá és mélyebbé válik.

biológia tanár. Nézzük meg a szén-monoxid (IV) szerepét a növények életében.

Diák. A növényekben a szerves anyagok képződése a CO 2 -ből és a H 2 O-ból a szerves anyagokon kívül oxigén is keletkezik.

A fotoszintézis szabályozza a légkörben lévő szén-dioxid mennyiségét, ami megakadályozza a bolygó hőmérsékletének emelkedését. A növények évente 300 milliárd tonna szén-dioxidot nyelnek el a légkörből. A fotoszintézis folyamata évente 200 milliárd tonna oxigént bocsát ki a légkörbe. Az oxigénből ózon képződik zivatar során.

Kémia tanár. Tekintsük a szén-monoxid (IV) kémiai tulajdonságait.

biológia tanár. Mi a szénsav jelentősége az emberi szervezetben a légzés során? ( Filmszalag töredék.)
A vérben lévő enzimek a szén-dioxidot szénsavvá alakítják, amely hidrogén- és bikarbonátionokká disszociál. Ha a vér feleslegben tartalmaz H + ionokat, pl. ha a vér savassága megnövekszik, akkor a H+-ionok egy része hidrogén-karbonát-ionokkal egyesül, szénsavat képezve ezzel megszabadítva a vért a felesleges H+-ionoktól. Ha túl kevés H + ion van a vérben, akkor a szénsav disszociál, és megnő a H + ionok koncentrációja a vérben. 37 °C-os hőmérsékleten a vér pH-ja 7,36.
A szervezetben a szén-dioxidot a vér kémiai vegyületek - nátrium- és kálium-hidrogén-karbonát - formájában szállítja.

Az anyag rögzítése

Teszt

A javasolt gázcsere folyamatok közül a tüdőben és a szövetekben az első opciót teljesítőknek a bal oldalon, a másodikban pedig a jobb oldalon kell kiválasztaniuk a helyes válaszok kódjait.

(1) Az O 2 átmenete a tüdőből a vérbe. (13)
(2) O 2 átvitele a vérből a szövetekbe. (14)
(3) A CO 2 átmenete a szövetekből a vérbe. (15)
(4) A CO 2 átmenete a vérből a tüdőbe. (16)
(5) O2-felszívódás a vörösvértestek által. (17)
(6) O 2 felszabadulása a vörösvértestekből. (18)
(7) Az artériás vér vénás vérré alakítása. (19)
(8) A vénás vér átalakítása artériás vérré. (20)
(9) Az O 2 kémiai kötésének megszakítása hemoglobinnal. (21)
(10) Az O 2 kémiai kötődése a hemoglobinhoz. (22)
(11) Kapillárisok a szövetekben. (23)
(12) Tüdőkapillárisok. (24)

Az első opció kérdései

1. Gázcsere folyamatok a szövetekben.
2. Fizikai folyamatok a gázcsere során.

A második opció kérdései

1. Gázcsere folyamatok a tüdőben.
2. Kémiai folyamatok a gázcsere során

Feladat

Határozza meg a szén-monoxid (IV) térfogatát, amely 50 g kalcium-karbonát bomlása során szabadul fel.

A szén két rendkívül stabil oxidot (CO és CO 2), három sokkal kevésbé stabil oxidot (C 3 O 2, C 5 O 2 és C 12 O 9), számos instabil vagy rosszul tanulmányozott oxidot (C 2 O, C 2) képez. O 3 stb.) és nem sztöchiometrikus grafit-oxid. A felsorolt ​​oxidok közül kiemelt szerepet játszik a CO és a CO 2.

MEGHATÁROZÁS

Szén-monoxid Normál körülmények között a gyúlékony gáz színtelen és szagtalan.

Meglehetősen mérgező, mivel képes komplexet képezni a hemoglobinnal, amely körülbelül 300-szor stabilabb, mint az oxigén-hemoglobin komplex.

MEGHATÁROZÁS

Szén-dioxid normál körülmények között színtelen, a levegőnél körülbelül 1,5-szer nehezebb gáz, aminek köszönhetően folyadékként önthető egyik edényből a másikba.

1 liter CO 2 tömege normál körülmények között 1,98 g. A szén-dioxid oldhatósága vízben alacsony: 1 térfogatrész 20 o C-os víz 0,88 térfogatrész CO 2-t, 0 o C-on pedig 1,7 térfogatot old.

A szén közvetlen oxidációja oxigén- vagy levegőhiánnyal CO képződéséhez vezet elegendő mennyiségben, CO 2 képződik. Ezen oxidok néhány tulajdonságát a táblázat tartalmazza. 1.

1. táblázat A szén-oxidok fizikai tulajdonságai.

Szén-monoxid előállítása

Tiszta CO állítható elő a laboratóriumban hangyasav (HCOOH) tömény kénsavval történő dehidratálásával ~140 °C-on:

HCOOH = CO + H2O.

Kis mennyiségben a szén-dioxid könnyen kinyerhető savak karbonátokra gyakorolt ​​hatására:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2.

Ipari méretekben a CO 2 főként az ammóniaszintézis folyamatának melléktermékeként keletkezik:

CH4+2H20=CO2+4H2;

CO + H 2 O = CO 2 + H 2.

A mészkő elégetésével nagy mennyiségű szén-dioxid keletkezik:

CaCO 3 = CaO + CO 2.

A szén-monoxid kémiai tulajdonságai

A szén-monoxid magas hőmérsékleten kémiailag reakcióképes. Erős redukálószernek bizonyul. Reagál oxigénnel, klórral, kénnel, ammóniával, lúgokkal, fémekkel.

CO + NaOH = Na(HCOO) (t = 120-130 o C, p);

CO + H2 = CH4 + H 2O (t = 150-200 o C, kat. Ni);

CO + 2H 2 = CH 3OH (t = 250-300 o C, kat. CuO/Cr 2O 3);

2CO + O 2 = 2CO 2 (kat. MnO 2/CuO);

CO + Cl 2 = CCI 2 O (t = 125-150 o C, kat. C);

4CO + Ni = (t = 50-100 o C);

5CO + Fe = (t = 100 - 200 o C, p).

A szén-dioxid savas tulajdonságokat mutat: reakcióba lép lúgokkal és ammónia-hidráttal. Csökkentett aktív fémek, hidrogén, szén.

CO 2 + NaOH híg = NaHCO 3 ;

CO 2 + 2NaOH konc = Na 2 CO 3 + H 2 O;

CO 2 + Ba(OH) 2 = BaCO 3 + H 2 O;

CO 2 + BaCO 3 + H 2 O = Ba(HCO 3) 2;

CO 2 + NH 3 × H 2 O = NH 4 HCO 3;

CO 2 + 4H 2 = CH4 + 2H 2O (t = 200 o C, kat. Cu 2 O);

CO 2 + C = 2CO (t > 1000 o C);

CO 2 + 2Mg = C + 2MgO;

2CO 2 + 5Ca = CaC 2 + 4CaO (t = 500 o C);

2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2.

A szén-monoxid alkalmazásai

A szén-monoxidot széles körben használják tüzelőanyagként generátorgáz vagy vízgáz formájában, és akkor is keletkezik, amikor sok fémet szénnel való redukcióval választanak el oxidjaitól. A termelőgázt úgy állítják elő, hogy forró szénen levegőt vezetnek át. Körülbelül 25% CO-t, 4% CO2-t és 70% N2-t tartalmaz, nyomokban H2-t és CH4-t 62.

A szén-dioxid felhasználása leggyakrabban fizikai tulajdonságainak köszönhető. Használják hűtőközegként, italok szénsavasításához, könnyű (habosított) műanyagok gyártásánál, valamint gázként közömbös légkör létrehozására.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

2. PÉLDA

Gyakorlat	Határozza meg, hogy a szén-monoxid (IV)CO 2 hányszor nehezebb a levegőnél.
Megoldás	Egy adott gáz tömegének és egy másik gáz tömegének arányát ugyanabban a térfogatban, azonos hőmérsékleten és azonos nyomáson az első gáz és a második gáz relatív sűrűségének nevezzük. Ez az érték azt mutatja, hogy az első gáz hányszor nehezebb vagy könnyebb, mint a második gáz. A levegő relatív molekulatömege 29 (figyelembe véve a levegő nitrogén-, oxigén- és egyéb gáztartalmát). Meg kell jegyezni, hogy a „levegő relatív molekulatömege” fogalmát feltételesen használják, mivel a levegő gázok keveréke. D levegő (CO 2) = M r (CO 2) / M r (levegő); D levegő (CO 2) = 44 / 29 = 1,517. M r (CO 2) = A r (C) + 2 × A r (O) = 12 + 2 × 16 = 12 + 32 = 44.
Válasz	A szén-monoxid (IV)CO 2 1,517-szer nehezebb a levegőnél.

Szén-monoxid (IV), szénsav és sóik

A modul átfogó célja: ismeri a szén(IV)-oxid és -hidroxid előállításának módszereit; írja le fizikai tulajdonságaikat; ismerje a sav-bázis tulajdonságok jellemzőit; jellemzi a redox tulajdonságait.

A szén alcsoport minden eleme EO 2 általános képletű oxidokat képez. A CO 2 és SiO 2 savas tulajdonságokat, a GeO 2, SnO 2, PbO 2 amfoter tulajdonságokat mutat, túlsúlyban a savas tulajdonságok, és a felülről lefelé haladó alcsoportban a savas tulajdonságok gyengülnek.

A szén és a szilícium oxidációs foka (+4) nagyon stabil, ezért a vegyület oxidáló tulajdonságait nagyon nehéz kimutatni. A germánium alcsoportban a (+4) vegyületek oxidáló tulajdonságai fokozódnak a legmagasabb oxidációs állapot destabilizálása miatt.

Szén-monoxid (IV), szénsav és sóik

Szén-dioxid CO 2 (szén-dioxid) - normál körülmények között színtelen és szagtalan gáz, enyhén savanykás ízű, körülbelül 1,5-szer nehezebb a levegőnél, vízben oldódik, meglehetősen könnyen cseppfolyósodik - szobahőmérsékleten folyékony nyomáson folyékony körülbelül 60 10 5 Pa. 56,2°C-ra lehűtve a folyékony szén-dioxid megszilárdul és hószerű masszává alakul.

Minden aggregációs állapotában nem poláris lineáris molekulákból áll. A CO 2 kémiai szerkezetét a központi szénatom sp-hibridizációja és további p-p kötések kialakulása határozza meg: O = C = O

Az akaratban oldott CO 2 egy része kölcsönhatásba lép vele, és szénsavat képez

CO 2 + H 2 O - CO 2 H 2 O - H 2 CO 3.

A szén-dioxidot a lúgos oldatok nagyon könnyen felszívják, így karbonátokat és bikarbonátokat képeznek:

CO 2 + 2NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O;

CO 2 + NaOH = NaHCO 3.

A CO 2 molekulák termikusan nagyon stabilak, a bomlás csak 2000°C hőmérsékleten kezdődik. Ezért a szén-dioxid nem ég, és nem támogatja a hagyományos tüzelőanyag elégetését. De a légkörében néhány egyszerű anyag ég, amelyek atomjai nagy affinitást mutatnak az oxigénhez, például a magnézium melegítéskor meggyullad a CO 2 atmoszférában.

Szénsav és sói

A szénsav H 2 CO 3 gyenge vegyület, és csak vizes oldatokban fordul elő. A vízben oldott szén-dioxid nagy része hidratált CO 2 molekulák formájában van, kisebb része szénsavat képez.

A légköri CO2-val egyensúlyban lévő vizes oldatok savasak: = 0,04 M és pH? 4.

A szénsav kétbázisú, a gyenge elektrolitokhoz tartozik, fokozatosan disszociál (K1 = 4,4 10?7; K2 = 4,8 10?11). Amikor a CO 2-t vízben oldjuk, a következő dinamikus egyensúly jön létre:

H 2 O + CO 2 - CO 2 H 2 O - H 2 CO 3 - H + + HCO 3 ?

A szén-dioxid vizes oldatának melegítésekor a gáz oldhatósága csökken, az oldatból CO 2 szabadul fel, és az egyensúly balra tolódik el.

Szénsav sók

Mivel kétbázisú, a szénsav két sósorozatot képez: közepes sókat (karbonátok) és savas sókat (hidrogén-karbonátokat). A legtöbb szénsavsó színtelen. A karbonátok közül csak az alkálifém- és ammóniumsók oldódnak vízben.

A vízben a karbonátok hidrolízisen mennek keresztül, ezért oldataik lúgos reakcióba lépnek:

Na 2 CO 3 + H 2 O - NaHCO 3 + NaOH.

A szénsav képződésével járó további hidrolízis normál körülmények között gyakorlatilag nem megy végbe.

A szénhidrogének vízben való oldódása szintén hidrolízissel jár, de jóval kisebb mértékben, és enyhén lúgos (pH 8) környezet jön létre.

Az ammónium-karbonát (NH 4) 2 CO 3 magas, sőt normál hőmérsékleten is nagyon illékony, különösen vízgőz jelenlétében, ami súlyos hidrolízist okoz.

Az erős savak, sőt a gyenge ecetsav is kiszorítják a szénsavat a karbonátokból:

K 2 CO 3 + H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + H 2 O + CO 2 ^.

A legtöbb karbonáttal ellentétben minden bikarbonát vízben oldódik. Kevésbé stabilak, mint ugyanazon fémek karbonátjai, és hevítéskor könnyen lebomlanak, és megfelelő karbonátokká alakulnak:

2KHCO 3 = K 2CO 3 + H 2 O + CO 2 ^;

Ca(HCO 3) 2 = CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ^.

A szénhidrogének lebomlanak erős savakkal, például a karbonátokkal:

KHCO 3 + H 2 SO 4 = KHSO 4 + H 2 O + CO 2

A szénsav sói közül a legfontosabbak: nátrium-karbonát (szóda), kálium-karbonát (kálium), kalcium-karbonát (kréta, márvány, mészkő), nátrium-hidrogén-karbonát (szódabikarbóna) és bázikus réz-karbonát (CuOH) 2 CO 3 (malachit).

A szénsav bázikus sói gyakorlatilag nem oldódnak vízben, és hevítés hatására könnyen lebomlanak:

(CuOH) 2 CO 3 = 2CuO + CO 2 + H 2 O.

Általában a karbonátok termikus stabilitása a karbonátot alkotó ionok polarizációs tulajdonságaitól függ. Minél jobban polarizálódik a kation a karbonátionon, annál alacsonyabb a só bomlási hőmérséklete. Ha a kation könnyen deformálható, akkor maga a karbonátion is polarizáló hatással lesz a kationra, ami a só bomlási hőmérsékletének meredek csökkenéséhez vezet.

A nátrium- és kálium-karbonátok bomlás nélkül megolvadnak, a legtöbb egyéb karbonát pedig hevítés hatására fém-oxiddá és szén-dioxiddá bomlik.

• Megnevezés - C (szén);
• Időszak - II;
• csoport - 14 (IVa);
• Atomtömeg - 12,011;
• Atomszám - 6;
• Atomsugár = 77 pm;
• Kovalens sugár = 77 pm;
• Elektroneloszlás - 1s 2 2s 2 2p 2 ;
• olvadáspont = 3550 °C;
• forráspont = 4827 °C;
• Elektronegativitás (Pauling szerint / Alpred és Rochow szerint) = 2,55/2,50;
• Oxidációs állapot: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Sűrűség (sz.) = 2,25 g/cm 3 (grafit);
• Moláris térfogat = 5,3 cm 3 /mol.

Szénvegyületek:

A szén formájában lévő szén ősidők óta ismert az ember számára, ezért nincs értelme a felfedezés dátumáról beszélni. Valójában a „szén” 1787-ben kapta a nevét, amikor megjelent a „Kémiai nómenklatúra módszere” című könyv, amelyben a „szén” (carbone) kifejezés szerepel a francia „pure coal” (charbone pur) elnevezés helyett.

A szén egyedülálló képességgel rendelkezik, hogy korlátlan hosszúságú polimer láncokat képezzen, ezáltal a vegyületek hatalmas osztálya keletkezik, amelyek tanulmányozása a kémia egy külön ága - a szerves kémia - tárgya. A szerves szénvegyületek képezik a földi élet alapját, ezért nincs értelme a szén kémiai elemként való fontosságáról beszélni - ez a földi élet alapja.

Most nézzük a szenet a szervetlen kémia szemszögéből.

Rizs. A szénatom szerkezete.

A szén elektronkonfigurációja 1s 2 2s 2 2p 2 (lásd: Az atomok elektronszerkezete). A külső energiaszinten a szénnek 4 elektronja van: 2 párosítva az s-alszinten + 2 páratlan a p-pályákon. Amikor egy szénatom gerjesztett állapotba kerül (energiafelhasználást igényel), az s-alszintről egy elektron „elhagyja” a párját, és a p-alszintre kerül, ahol egy szabad pálya van. Így gerjesztett állapotban a szénatom elektronkonfigurációja a következő alakot ölti: 1s 2 2s 1 2p 3.

Rizs. A szénatom átmenete gerjesztett állapotba.

Ez az „öntvény” jelentősen kibővíti a szénatomok vegyértékképességét, amelyek oxidációs állapotát +4-ről (aktív nemfémeket tartalmazó vegyületekben) -4-re (fémekkel rendelkező vegyületekben) vehetik fel.

Gerjesztetlen állapotban a vegyületekben a szénatom vegyértéke 2, például CO(II), gerjesztett állapotban pedig 4:CO 2 (IV).

A szénatom „egyedisége” abban rejlik, hogy a külső energiaszintjén 4 elektron található, így a szint teljesítéséhez (amire tulajdonképpen bármely kémiai elem atomja is törekszik) egyenlő mértékben képes „siker”, elektronokat adnak és adnak hozzá kovalens kötések kialakításához (lásd: Kovalens kötés).

A szén mint egyszerű anyag

Egyszerű anyagként a szén számos allotróp módosulat formájában megtalálható:

• gyémánt
• Grafit
• Fullerén
• Carbin

gyémánt

Rizs. Gyémánt kristályrács.

A gyémánt tulajdonságai:

• színtelen kristályos anyag;
• a természet legkeményebb anyaga;
• erős fénytörő hatással rendelkezik;
• rosszul vezeti a hőt és az elektromosságot.

Rizs. Gyémánt tetraéder.

A gyémánt kivételes keménységét a kristályrács szerkezete magyarázza, amely tetraéder alakú - a tetraéder közepén egy szénatom található, amelyet ugyanolyan erős kötések kötnek össze négy szomszédos atommal, amelyek a csúcsokat alkotják. a tetraéder (lásd a fenti ábrát). Ez a „konstrukció” pedig a szomszédos tetraéderekhez kapcsolódik.

Grafit

Rizs. Grafit kristályrács.

A grafit tulajdonságai:

• szürke színű lágy kristályos anyag, réteges szerkezettel;
• fémes fényű;
• jól vezeti az elektromosságot.

A grafitban a szénatomok szabályos hatszögeket alkotnak, amelyek ugyanabban a síkban helyezkednek el, és végtelen rétegekbe rendeződnek.

A grafitban a szomszédos szénatomok közötti kémiai kötéseket az egyes atomok három vegyértékelektronja hozza létre (az alábbi ábrán kék színnel jelölve), és a szénatomok negyedik elektronja (pirossal) a p-pályára merőlegesen helyezkedik el. a grafitréteg síkjához, nem vesz részt a réteg síkjában lévő kovalens kötések kialakításában. „Célja” más - a szomszédos rétegben fekvő „testvérével” kölcsönhatásba lépve kapcsolatot biztosít a grafitrétegek között, a p-elektronok nagy mobilitása pedig meghatározza a grafit jó elektromos vezetőképességét.

Rizs. A szénatompályák eloszlása ​​a grafitban.

Fullerén

Rizs. Fullerén kristályrácsa.

Fullerén tulajdonságai:

• a fullerén molekula üreges gömbökbe zárt szénatomok összessége, mint egy futballlabda;
• ez egy finom kristályos anyag, sárga-narancs színű;
• olvadáspont = 500-600 °C;
• félvezető;
• a shungit ásvány része.

Carbin

Carbyne tulajdonságai:

• fekete inert anyag;
• lineáris polimer molekulákból áll, amelyekben az atomok váltakozó egyszeres és hármas kötéssel kapcsolódnak egymáshoz;
• félvezető.

A szén kémiai tulajdonságai

Normál körülmények között a szén inert anyag, de hevítve reakcióba léphet különféle egyszerű és összetett anyagokkal.

Fentebb már elhangzott, hogy a szén külső energiaszintjén 4 elektron van (se itt, se ott), ezért a szén egyszerre tud elektronokat feladni és befogadni, egyes vegyületeknél redukáló, máshol oxidáló tulajdonságokat mutat.

A szén az redukálószer oxigénnel és más nagyobb elektronegativitású elemekkel való reakciókban (lásd az elemek elektronegativitásának táblázatát):

• levegőn hevítve ég (oxigéntöbblettel szén-dioxid képződésével; hiányával szén-monoxid (II)):
  C + O 2 = CO 2;
  2C + O 2 = 2CO.
• magas hőmérsékleten reagál kéngőzzel, könnyen kölcsönhatásba lép klórral, fluorral:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F 2 + C = CF 4
• hevítéskor számos fémet és nemfémet redukál oxidokból:
  C0 + Cu +2 O = Cu 0 + C + 2 O;
  C 0 +C +4 O 2 = 2C +2 O
• 1000°C hőmérsékleten vízzel reagál (elgázosítási folyamat), vízgázt képezve:
  C + H 2O = CO + H2;

A szén oxidáló tulajdonságokat mutat a fémekkel és hidrogénnel való reakciókban:

• reagál fémekkel karbidokat képezve:
  Ca + 2C = CaC 2
• hidrogénnel kölcsönhatásba lépve a szén metánt képez:
  C+2H2=CH4

A szenet vegyületeinek hőbontásával vagy metán pirolízisével nyerik (magas hőmérsékleten):
CH4=C+2H2.

A szén alkalmazása

A szénvegyületek a nemzetgazdaságban a legszélesebb körben alkalmazhatók, nem lehet mindegyiket felsorolni, csak néhányat említünk:

• a grafitból ceruzavezetékeket, elektródákat, olvasztótégelyeket készítenek, atomreaktorokban neutronmoderátorként és kenőanyagként használják;
• A gyémántokat ékszerekben, vágószerszámként, fúróberendezésekben és csiszolóanyagként használják;
• A szenet redukálószerként használják egyes fémek és nemfémek (vas, szilícium) előállításához;
• A szén alkotja az aktív szén nagy részét, amely széles körben alkalmazható mind a mindennapi életben (például adszorbensként levegő és oldatok tisztítására), mind a gyógyászatban (aktívszén tabletták) és az iparban (katalitikus hordozóként) adalékok, polimerizációs katalizátor stb.).

szén (C)– tipikus nem fém; a periódusos rendszerben a IV. csoport 2. periódusában, a fő alcsoportban található. Sorozatszám 6, Ar = 12,011 amu, nukleáris töltés +6.

Fizikai tulajdonságok: a szén számos allotróp módosulatot képez: gyémánt- az egyik legkeményebb anyag grafit, szén, korom.

Egy szénatomnak 6 elektronja van: 1s 2 2s 2 2p 2 . Az utolsó két elektron külön p-pályán helyezkedik el, és nincsenek párosítva. Elvileg ez a pár elfoglalhatná ugyanazt a pályát, de ebben az esetben az elektronok közötti taszítás jelentősen megnő. Emiatt az egyik 2p x, a másik pedig vagy 2p y , vagy 2p z pályák.

A külső réteg s- és p-alszintjének energiájában kicsi a különbség, így az atom meglehetősen könnyen gerjesztett állapotba kerül, amelyben a 2s pályáról a két elektron közül az egyik átmegy egy szabadba. 2 dörzsölje. Valenciaállapot jelenik meg a következő konfigurációval: 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . A szénatomnak ez az állapota a gyémántrács jellemzője – a hibrid pályák tetraéderes térbeli elrendezése, a kötések azonos hossza és energiája.

Ezt a jelenséget köztudottan ún sp 3 -hibridizáció, a kialakuló függvények pedig sp 3 -hibridek . Négy sp 3 kötés kialakulása háromnál stabilabb állapotot biztosít a szénatomnak r-r-és egy s-s-kapcsolat. Az sp 3 hibridizáció mellett sp 2 és sp hibridizáció is megfigyelhető a szénatomon . Az első esetben kölcsönös átfedés következik be s-és két p-pálya. Három egyenértékű sp 2 hibrid pálya keletkezik, amelyek ugyanabban a síkban helyezkednek el, egymással 120°-os szöget bezárva. A harmadik p pálya változatlan, és a síkra merőleges sp2.

Az sp hibridizáció során az s és p pályák átfedik egymást. A kialakuló két ekvivalens hibridpálya között 180°-os szög alakul ki, miközben az egyes atomok két p-pályája változatlan marad.

A szén allotrópiája. Gyémánt és grafit

A grafitkristályban a szénatomok párhuzamos síkban helyezkednek el, szabályos hatszögek csúcsait foglalva el. Mindegyik szénatom három szomszédos sp 2 hibrid kötéshez kapcsolódik. A párhuzamos síkok közötti kapcsolat van der Waals erők hatására jön létre. Az egyes atomok szabad p-pályái merőlegesek a kovalens kötések síkjaira. Átfedésük magyarázza a szénatomok közötti további π kötést. Így től Az anyag tulajdonságait az a vegyértékállapot határozza meg, amelyben az anyag szénatomjai találhatók.

A szén kémiai tulajdonságai

A legjellemzőbb oxidációs állapotok: +4, +2.

Alacsony hőmérsékleten a szén inert, de hevítve aktivitása megnő.

Szén, mint redukálószer:

- oxigénnel
C 0 + O 2 – t° = CO 2 szén-dioxid
oxigénhiány esetén - tökéletlen égés:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O szén-monoxid

- fluorral
C + 2F 2 = CF 4

- vízgőzzel
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 vízgáz

- fémoxidokkal. Így olvasztják ki a fémet az ércből.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2

- savakkal - oxidálószerekkel:
C 0 + 2H 2 SO 4 (tömény) = C +4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (tömény) = C +4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

- kénnel szén-diszulfidot képez:
C + 2S 2 = CS 2.

Szén, mint oxidálószer:

- egyes fémekkel karbidokat képez

4Al + 3C 0 = Al 4 C 3

Ca + 2C 0 = CaC 2 -4

- hidrogénnel - metánnal (valamint rengeteg szerves vegyülettel)

C0 + 2H2 = CH4

— szilíciummal karborundumot képez (2000 °C-on elektromos kemencében):

A szén megtalálása a természetben

A szabad szén gyémánt és grafit formájában fordul elő. Vegyületek formájában a szén ásványi anyagokban található: kréta, márvány, mészkő - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 *CaCO 3; szénhidrogének - Mg(HCO 3) 2 és Ca(HCO 3) 2, a CO 2 a levegő része; A szén a természetes szerves vegyületek - gáz, olaj, szén, tőzeg - fő összetevője, és része az élő szervezeteket alkotó szerves anyagoknak, fehérjéknek, zsíroknak, szénhidrátoknak és aminosavaknak.

Szervetlen szénvegyületek

Sem C 4+, sem C 4- ion nem keletkezik hagyományos kémiai folyamatok során: a szénvegyületek különböző polaritású kovalens kötéseket tartalmaznak.

Szén-monoxid CO

Szén-monoxid; színtelen, szagtalan, vízben gyengén oldódik, szerves oldószerekben oldódik, mérgező, forráspont = -192°C; t pl. = -205 °C.

Nyugta
1) Az iparban (gázgenerátorokban):
C + O 2 = CO 2

2) Laboratóriumban - hangya- vagy oxálsav hőbontása H 2 SO 4 (tömény) jelenlétében:
HCOOH = H2O + CO

H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O

Kémiai tulajdonságok

Normál körülmények között a CO közömbös; melegítéskor - redukálószer; nem sóképző oxid.

1) oxigénnel

2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2

2) fém-oxidokkal

C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2

3) klórral (fényben)

CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (foszgén)

4) reagál alkáli olvadékokkal (nyomás alatt)

CO + NaOH = HCOONa (nátrium-formiát)

5) átmeneti fémekkel karbonilokat képez

Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4

Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5

Szén-monoxid (IV) CO2

Szén-dioxid, színtelen, szagtalan, vízben oldódik - 0,9 V CO 2 oldódik 1 V H 2 O-ban (normál körülmények között); nehezebb a levegőnél; t°pl = -78,5°C (a szilárd CO 2-t „szárazjégnek” nevezzük); nem támogatja az égést.

Nyugta

1. A szénsavsók (karbonátok) hőbomlása. Mészkő égetés:

CaCO 3 – t° = CaO + CO 2

1. Erős savak hatása karbonátokra és bikarbonátokra:

CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2

NaHCO 3 + HCl = NaCl + H 2 O + CO 2

KémiaitulajdonságaitCO2
Savas oxid: Reagál bázikus oxidokkal és bázisokkal, szénsavsókat képezve

Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3

2NaOH + CO 2 = Na 2 CO 3 + H 2 O

NaOH + CO 2 = NaHCO 3

Magasabb hőmérsékleten oxidáló tulajdonságokat mutathat

C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0

Minőségi reakció

A mészvíz zavarossága:

Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (fehér csapadék) + H 2 O

Megszűnik, ha hosszú ideig CO 2 -t vezetnek át meszes vízen, mert Az oldhatatlan kalcium-karbonát oldható bikarbonáttá alakul:

CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2

A szénsav és annaksó

H 2CO 3 - Gyenge sav, csak vizes oldatban létezik:

CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3

Kétbázisú:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Savas sók - bikarbonátok, bikarbonátok
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Közepes sók - karbonátok

A savak minden tulajdonsága jellemző.

A karbonátok és a bikarbonátok átalakulhatnak egymásba:

2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2

Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 = 2NaHCO 3

A fém-karbonátok (az alkálifémek kivételével) hevítéskor dekarboxilálódnak, és oxidot képeznek:

CuCO 3 – t° = CuO + CO 2

Minőségi reakció- „forralás” erős sav hatására:

Na 2 CO 3 + 2HCl = 2NaCl + H 2 O + CO 2

CO 3 2- + 2H + = H 2 O + CO 2

Karbidok

Kalcium-karbid:

CaO + 3 C = CaC 2 + CO

CaC 2 + 2 H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2.

Acetilén szabadul fel, amikor cink, kadmium, lantán és cérium-karbid reagál a vízzel:

2 LaC 2 + 6 H 2 O = 2La(OH) 3 + 2 C 2 H 2 + H 2.

Be 2 C és Al 4 C 3 vízzel bomlik metánná:

Al 4 C 3 + 12 H 2 O = 4 Al(OH) 3 = 3 CH 4.

A technológiában titán-karbidokat TiC, w 2 C volfrámot (keményötvözetek), szilícium SiC-ot (karborundum - csiszolóanyagként és fűtőtestek anyagaként) használnak.

Cianid

szóda hevítésével ammónia és szén-monoxid atmoszférában nyerik:

Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2

A hidrogén-cianid-HCN a vegyipar fontos terméke, és széles körben használják a szerves szintézisben. Globális termelése eléri az évi 200 ezer tonnát. A cianid-anion elektronszerkezete hasonló a szén-monoxidéhoz (II), ezeket izoelektronikusnak nevezzük:

C = O: [:C = N:] –

Az aranybányászatban cianidokat (0,1-0,2%-os vizes oldat) használnak:

2 Au + 4 KCN + H 2 O + 0,5 O 2 = 2 K + 2 KOH.

A cianid kénnel való forralásakor vagy szilárd anyagok olvasztásakor keletkeznek tiocianátok:
KCN + S = KSCN.

Ha alacsony aktivitású fémek cianidjait hevítjük, cianidot kapunk: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. A cianid oldatok oxidálódnak cianátok:

2 KCN + O 2 = 2 KOCN.

A ciánsav két formában létezik:

H-N=C=O; H-O-C = N:

Friedrich Wöhler (1800-1882) 1828-ban ammónium-cianátból karbamidot nyert: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 vizes oldat bepárlásával.

Ezt az eseményt általában a szintetikus kémia győzelmének tekintik a "vitalisztikus elmélet" felett.

Van egy ciánsav izomerje - robbanásveszélyes sav

H-O-N=C.
Sóit (Hg(ONC) 2 higany-fulminát) ütvegyújtókban használják.

Szintézis karbamid(karbamid):

CO 2 + 2 NH 3 = CO(NH 2) 2 + H 2 O. 130 0 C-on és 100 atm.

A karbamid egy szénsavamid, van egy „nitrogén-analógja” – a guanidin.

Karbonátok

A legfontosabb szervetlen szénvegyületek a szénsav sói (karbonátok). A H 2CO 3 gyenge sav (K 1 = 1,3 10 -4; K 2 = 5 10 -11). Karbonát puffertartók szén-dioxid egyensúly a légkörben. A világ óceánjainak óriási pufferkapacitása van, mert nyitott rendszerről van szó. A fő pufferreakció a szénsav disszociációja során kialakuló egyensúly:

H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - .

Amikor a savasság csökken, a szén-dioxid további abszorpciója következik be a légkörből sav képződésével:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3.

A savasság növekedésével a karbonátos kőzetek (az óceánban lévő kagylók, kréta és mészkő üledékek) feloldódnak; ez kompenzálja a szénhidrogén-ionok elvesztését:

H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —

CaCO 3 (szilárd) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-

A szilárd karbonátok oldható bikarbonátokká alakulnak. Ez a felesleges szén-dioxid kémiai feloldásának folyamata ellensúlyozza az „üvegházhatást” - a Föld hősugárzásának szén-dioxid általi elnyelése következtében fellépő globális felmelegedést. A világ szódatermelésének (nátrium-karbonát Na 2 CO 3) körülbelül egyharmadát üveggyártásban használják fel.