Oxizii de carbon (II) și (IV)
Lecție integrată de chimie și biologie
Sarcini: studierea și sistematizarea cunoștințelor despre oxizii de carbon (II) și (IV); dezvăluie relația dintre natura vie și cea neînsuflețită; consolidarea cunoștințelor despre efectul oxizilor de carbon asupra corpului uman;
consolidați-vă abilitățile în lucrul cu echipamente de laborator. Echipament:
Soluție de HCl, turnesol, Ca(OH) 2, CaCO 3, tijă de sticlă, mese de casă, tablă portabilă, model ball-and-stick.
PROGRESUL LECȚIEI Profesor de biologie
comunică tema și obiectivele lecției. Profesor de chimie.
Pe baza doctrinei legăturilor covalente, compuneți formulele electronice și structurale ale oxizilor de carbon (II) și (IV).
Formula chimică a monoxidului de carbon (II) este CO, atomul de carbon este în stare normală.
Datorită împerecherii electronilor nepereche, se formează două legături covalente polare, iar a treia legătură covalentă este formată prin mecanismul donor-acceptor. Donatorul este un atom de oxigen, deoarece oferă o pereche liberă de electroni; acceptorul este un atom de carbon, deoarece oferă un orbital gol. În industrie, monoxidul de carbon (II) este produs prin trecerea CO 2 peste cărbune fierbinte la temperatură ridicată. De asemenea, se formează în timpul arderii cărbunelui cu lipsă de oxigen. ()
Un elev scrie pe tablă ecuația reacției În laborator, CO este produs prin acţiunea H 2 SO 4 concentrat asupra acidului formic. (.)
Profesorul notează ecuația reacției Profesor de biologie.
Deci, v-ați familiarizat cu producția de monoxid de carbon (II). Ce proprietăți fizice are monoxidul de carbon (II)? Student.
comunică tema și obiectivele lecției. Este un gaz incolor, otrăvitor, inodor, mai ușor decât aerul, slab solubil în apă, punct de fierbere –191,5 °C, se solidifică la –205 °C.
Profesorul notează ecuația reacției Monoxidul de carbon se găsește în gazele de eșapament ale mașinilor în cantități periculoase pentru viața umană.
Deci, v-ați familiarizat cu producția de monoxid de carbon (II). Ce proprietăți fizice are monoxidul de carbon (II)? Prin urmare, garajele ar trebui să fie bine ventilate, mai ales la pornirea motorului.
Profesorul notează ecuația reacției Ce prim ajutor ar trebui să primească o persoană pentru otrăvirea cu monoxid de carbon?
Elevii. Este necesar să se cheme o ambulanță, victima trebuie scoasă afară, trebuie efectuată respirație artificială, iar camera trebuie să fie bine ventilată.
comunică tema și obiectivele lecției. Scrieți formula chimică a monoxidului de carbon (IV) și, folosind modelul cu bile și băț, construiți structura acestuia.
Atomul de carbon este în stare excitată. Toate cele patru legături covalente polare sunt formate prin împerecherea electronilor neperechi. Cu toate acestea, datorită structurii sale liniare, molecula sa în ansamblu este nepolară.
În industrie, CO 2 se obține din descompunerea carbonatului de calciu în producția de var.
(Un elev notează ecuația reacției.)
În laborator, CO 2 se obține prin reacția acizilor cu creta sau marmură.
(Elevii efectuează un experiment de laborator.)
Profesorul notează ecuația reacției Ce procese duc la formarea de dioxid de carbon în organism?
Deci, v-ați familiarizat cu producția de monoxid de carbon (II). Ce proprietăți fizice are monoxidul de carbon (II)? Dioxidul de carbon se formează în organism ca urmare a reacțiilor de oxidare a substanțelor organice care alcătuiesc celula.
(Elevii efectuează un experiment de laborator.)
Mortarul de var a devenit tulbure deoarece se formează carbonat de calciu. Pe lângă procesul de respirație, CO2 este eliberat ca urmare a fermentației și a degradarii.
Profesorul notează ecuația reacției Activitatea fizică afectează procesul de respirație?
Deci, v-ați familiarizat cu producția de monoxid de carbon (II). Ce proprietăți fizice are monoxidul de carbon (II)? Cu un stres fizic (muscular) excesiv, mușchii folosesc oxigenul mai repede decât îl poate furniza sângele și apoi sintetizează ATP-ul necesar pentru activitatea lor prin fermentație. Acidul lactic C 3 H 6 O 3 se formează în mușchi, care intră în sânge. Acumularea de cantități mari de acid lactic este dăunătoare organismului. După o activitate fizică grea, continuăm să respirăm greu de ceva timp - plătim „datoria de oxigen”.
comunică tema și obiectivele lecției. Cantități mari de monoxid de carbon (IV) sunt eliberate în atmosferă atunci când sunt arse combustibili fosili. Acasă, folosim gaze naturale drept combustibil și constă în aproape 90% metan (CH 4). Îl invit pe unul dintre voi să meargă la tablă, să scrie o ecuație pentru reacție și să o analizeze din punct de vedere al oxido-reducerii.
Profesorul notează ecuația reacției De ce nu poți folosi sobe cu gaz pentru a încălzi o cameră?
Deci, v-ați familiarizat cu producția de monoxid de carbon (II). Ce proprietăți fizice are monoxidul de carbon (II)? Metanul este o componentă a gazelor naturale. Când arde, conținutul de dioxid de carbon din aer crește, iar conținutul de oxigen scade. ( Lucrul cu cuprinsul CO2 în aer".)
Când aerul conține 0,3% CO 2, o persoană experimentează o respirație rapidă; la 10% - pierderea conștienței, la 20% - paralizie instantanee și moarte rapidă. Un copil are nevoie în special de aer curat, deoarece consumul de oxigen al țesuturilor unui corp în creștere este mai mare decât cel al unui adult. Prin urmare, este necesar să ventilați în mod regulat camera. Dacă există exces de CO 2 în sânge, excitabilitatea centrului respirator crește și respirația devine mai frecventă și mai profundă.
Profesorul notează ecuația reacției Să luăm în considerare rolul monoxidului de carbon (IV) în viața plantelor.
Deci, v-ați familiarizat cu producția de monoxid de carbon (II). Ce proprietăți fizice are monoxidul de carbon (II)? La plante, formarea substanțelor organice are loc din CO 2 și H 2 O în lumină, pe lângă substanțele organice, se formează oxigen.
Fotosinteza reglează cantitatea de dioxid de carbon din atmosferă, ceea ce împiedică creșterea temperaturii planetei. În fiecare an, plantele absorb 300 de miliarde de tone de dioxid de carbon din atmosferă. Procesul de fotosinteză eliberează anual în atmosferă 200 de miliarde de tone de oxigen. Ozonul se formează din oxigen în timpul unei furtuni.
comunică tema și obiectivele lecției. Să luăm în considerare proprietățile chimice ale monoxidului de carbon (IV).
Profesorul notează ecuația reacției Care este importanța acidului carbonic în corpul uman în timpul respirației? ( Fragment de bandă de film.)
Enzimele din sânge transformă dioxidul de carbon în acid carbonic, care se disociază în ioni de hidrogen și bicarbonat.
Dacă sângele conține un exces de ioni H +, adică. dacă aciditatea sângelui crește, atunci unii dintre ionii de H + se combină cu ionii de bicarbonat, formând acid carbonic și eliberând astfel sângele de excesul de ioni de H +.
Dacă există prea puțini ioni H + în sânge, atunci acidul carbonic se disociază și concentrația de ioni H + în sânge crește. La o temperatură de 37 °C, pH-ul sângelui este de 7,36.
În organism, dioxidul de carbon este transportat de sânge sub formă de compuși chimici - bicarbonați de sodiu și potasiu.
Fixarea materialului
Test
Dintre procesele de schimb de gaze propuse în plămâni și țesuturi, cei care completează prima opțiune trebuie să aleagă codurile răspunsurilor corecte din stânga, iar al doilea - din dreapta.
(1) Tranziția O 2 de la plămâni la sânge. (13)
(2) Transferul de O 2 din sânge în țesuturi. (14)
(3) Tranziția CO 2 de la țesuturi la sânge. (15)
(4) Tranziția CO 2 din sânge la plămâni. (16)
(5) Absorbția de O2 de către globulele roșii. (17)
(6) Eliberarea de O 2 din celulele roșii din sânge. (18)
(7) Conversia sângelui arterial în sânge venos. (19)
(8) Conversia sângelui venos în sânge arterial. (20)
(9) Ruperea legăturii chimice a O 2 cu hemoglobina. (21)
(10) Legarea chimică a O2 de hemoglobină.
(22)
1. Procese de schimb de gaze în țesuturi.
2. Procese fizice în timpul schimbului de gaze.
Întrebări a doua opțiune
1.
Procesele de schimb de gaze în plămâni.
2. Procese chimice în timpul schimbului de gaze
Sarcină
Determinați volumul de monoxid de carbon (IV) care se eliberează în timpul descompunerii a 50 g de carbonat de calciu.
Carbonul formează doi oxizi extrem de stabili (CO și CO 2), trei oxizi mult mai puțin stabili (C 3 O 2, C 5 O 2 și C 12 O 9), un număr de oxizi instabili sau slab studiati (C 2 O, C 2 O 3 etc.) şi oxid de grafit nestoichiometric. Dintre oxizii enumerați, CO și CO 2 joacă un rol deosebit.
DEFINIŢIE
monoxid de carbonÎn condiții normale, un gaz inflamabil este incolor și inodor.
Este destul de toxic datorită capacității sale de a forma un complex cu hemoglobina, care este de aproximativ 300 de ori mai stabil decât complexul oxigen-hemoglobină.
DEFINIŢIE
dioxid de carbonîn condiții normale, este un gaz incolor, de aproximativ 1,5 ori mai greu decât aerul, datorită căruia poate fi turnat ca un lichid dintr-un vas în altul.
Masa a 1 litru de CO 2 în condiții normale este de 1,98 g Solubilitatea dioxidului de carbon în apă este scăzută: 1 volum de apă la 20 o C dizolvă 0,88 volume de CO 2, iar la 0 o C - 1,7 volume.
Oxidarea directă a carbonului cu lipsa de oxigen sau de aer duce la formarea de CO cu o cantitate suficientă din acestea, se formează CO2. Unele proprietăți ale acestor oxizi sunt prezentate în tabel. 1.
Tabelul 1. Proprietățile fizice ale oxizilor de carbon.
Producția de monoxid de carbon
CO pur poate fi obținut în laborator prin deshidratarea acidului formic (HCOOH) cu acid sulfuric concentrat la ~140 °C:
HCOOH = CO + H2O.
În cantități mici, dioxidul de carbon poate fi obținut ușor prin acțiunea acizilor asupra carbonaților:
CaC03 + 2HCI = CaCI2 + H2O + CO2.
La scară industrială, CO 2 este produs în principal ca produs secundar în procesul de sinteză a amoniacului:
CH4 + 2H20 = C02 + 4H2;
CO + H2O = CO2 + H2.
Cantități mari de dioxid de carbon sunt produse prin arderea calcarului:
CaCO3 = CaO + CO2.
Proprietățile chimice ale monoxidului de carbon
Monoxidul de carbon este reactiv chimic la temperaturi ridicate. Se dovedește a fi un agent reducător puternic. Reacționează cu oxigenul, clorul, sulful, amoniacul, alcalinele, metalele.
CO + NaOH = Na(HCOO) (t = 120 - 130 o C, p);
CO + H2 = CH4 + H20 (t = 150 - 200 oC, cat. Ni);
CO + 2H2 = CH3OH (t = 250 - 300°C, cat. CuO/Cr203);
2CO + O2 = 2CO2 (cat. Mn02/CuO);
CO + CI2 = CCl2O(t = 125 - 150 oC, kat. C);
4CO + Ni = (t = 50 - 100 o C);
5CO + Fe = (t = 100 - 200 o C, p).
Dioxidul de carbon prezintă proprietăți acide: reacționează cu alcalii și hidratul de amoniac. Redus de metale active, hidrogen, carbon.
CO2 + NaOH diluat = NaHC03;
CO2 + 2NaOH conc = Na2C03 + H20;
CO2 + Ba(OH)2 = BaC03 + H20;
CO2 + BaC03 + H20 = Ba(HC03)2;
CO2 + NH3xH20 = NH4HCO3;
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H20 (t = 200 oC, cat. Cu20);
CO 2 + C = 2CO (t > 1000 o C);
C02 + 2Mg = C + 2MgO;
2CO2 + 5Ca = CaC2 + 4CaO (t = 500 o C);
2CO 2 + 2Na 2 O 2 = 2Na 2 CO 3 + O 2.
Aplicații ale monoxidului de carbon
Monoxidul de carbon este utilizat pe scară largă ca combustibil sub formă de gaz generator sau gaz de apă și se formează și atunci când multe metale sunt separate de oxizii lor prin reducerea cu cărbune. Gazul de producție este produs prin trecerea aerului prin cărbune încins. Conține aproximativ 25% CO, 4% CO2 și 70% N2 cu urme de H2 și CH4 62.
Utilizarea dioxidului de carbon se datorează cel mai adesea proprietăților sale fizice. Este folosit ca agent de răcire, pentru carbogazarea băuturilor, în producția de materiale plastice ușoare (spumate) și, de asemenea, ca gaz pentru crearea unei atmosfere inerte.
Exemple de rezolvare a problemelor
EXEMPLUL 1
EXEMPLUL 2
| Exercita | Determinați de câte ori monoxidul de carbon (IV)CO 2 este mai greu decât aerul. |
| Soluţie | Raportul dintre masa unui gaz dat și masa altui gaz luată în același volum, la aceeași temperatură și aceeași presiune se numește densitatea relativă a primului gaz față de al doilea. Această valoare arată de câte ori primul gaz este mai greu sau mai ușor decât al doilea gaz. Greutatea moleculară relativă a aerului este considerată 29 (ținând cont de conținutul de azot, oxigen și alte gaze din aer). Trebuie remarcat faptul că conceptul de „masă moleculară relativă a aerului” este utilizat condiționat, deoarece aerul este un amestec de gaze. D aer (CO 2 ) = M r (CO 2) / M r (aer); D aer (CO 2 ) = 44 / 29 = 1,517. M r (CO 2) = A r (C) + 2×A r (O) = 12 + 2× 16 = 12 + 32 = 44. |
| Răspuns | Monoxidul de carbon (IV)CO 2 este de 1,517 ori mai greu decât aerul. |
Monoxid de carbon (IV), acid carbonic și sărurile acestora
Scopul cuprinzător al modulului: cunoașterea metodelor de producere a oxidului și hidroxidului de carbon (IV); descrie proprietățile lor fizice; cunoașteți caracteristicile proprietăților acido-bazice; caracterizează proprietățile redox.
Toate elementele subgrupului de carbon formează oxizi cu formula generală EO 2. CO 2 şi SiO 2 prezintă proprietăţi acide, GeO 2 , SnO 2 , PbO 2 prezintă proprietăţi amfotere cu predominanţa proprietăţilor acide, iar în subgrupul de sus în jos proprietăţile acide slăbesc.
Starea de oxidare (+4) pentru carbon și siliciu este foarte stabilă, astfel încât proprietățile de oxidare ale compusului sunt foarte greu de prezentat. În subgrupa germaniului, proprietățile de oxidare ale compușilor (+4) sunt îmbunătățite datorită destabilizarii celei mai înalte stări de oxidare.
Monoxid de carbon (IV), acid carbonic și sărurile acestora
dioxid de carbon CO 2 (dioxid de carbon) - în condiții normale este un gaz incolor și inodor, cu gust ușor acrișor, de aproximativ 1,5 ori mai greu decât aerul, solubil în apă, lichefiat destul de ușor - la temperatura camerei poate fi transformat în lichid sub o presiune de aproximativ 60 10 5 Pa. Când este răcit la 56,2°C, dioxidul de carbon lichid se solidifică și se transformă într-o masă asemănătoare zăpezii.
În toate stările de agregare este format din molecule liniare nepolare. Structura chimică a CO 2 este determinată de hibridizarea sp a atomului de carbon central și formarea de legături p-p suplimentare: O = C = O
O parte din CO 2 dizolvat în voință interacționează cu acesta pentru a forma acid carbonic
CO2 + H2O - CO2H2O - H2CO3.
Dioxidul de carbon este foarte ușor absorbit de soluțiile alcaline pentru a forma carbonați și bicarbonați:
C02 + 2NaOH = Na2C03 + H20;
CO2 + NaOH = NaHCO3.
Moleculele de CO 2 sunt foarte stabile termic descompunerea începe numai la o temperatură de 2000°C. Prin urmare, dioxidul de carbon nu arde și nu sprijină arderea combustibilului convențional. Dar în atmosfera sa ard niște substanțe simple, atomii cărora prezintă o mare afinitate pentru oxigen, de exemplu, magneziul, când este încălzit, se aprinde într-o atmosferă de CO 2 .
Acidul carbonic și sărurile sale
Acidul carbonic H 2 CO 3 este un compus slab și există numai în soluții apoase. Majoritatea dioxidului de carbon dizolvat în apă este sub formă de molecule de CO 2 hidratate, o parte mai mică formează acid carbonic.
Soluțiile apoase aflate în echilibru cu CO2 atmosferic sunt acide: = 0,04 M și pH? 4.
Acidul carbonic este dibazic, aparține electroliților slabi, se disociază treptat (K1 = 4,4 10?7; K2 = 4,8 10?11). Când CO2 este dizolvat în apă, se stabilește următorul echilibru dinamic:
H2O + CO2-CO2H2O-H2CO3-H+ + HCO3?
Când o soluție apoasă de dioxid de carbon este încălzită, solubilitatea gazului scade, CO 2 este eliberat din soluție și echilibrul se deplasează spre stânga.
Sărurile acidului carbonic
Fiind dibazic, acidul carbonic formează două serii de săruri: săruri medii (carbonați) și săruri acide (bicarbonați). Majoritatea sărurilor de acid carbonic sunt incolore. Dintre carbonați, numai sărurile de metale alcaline și de amoniu sunt solubile în apă.
În apă, carbonații sunt supuși hidrolizei și, prin urmare, soluțiile lor au o reacție alcalină:
Na2C03 + H20 - NaHC03 + NaOH.
Hidroliza ulterioară cu formarea acidului carbonic practic nu are loc în condiții normale.
Dizolvarea hidrocarbonaților în apă este însoțită și de hidroliză, dar într-o măsură mult mai mică, iar mediul este creat ușor alcalin (pH 8).
Carbonatul de amoniu (NH 4 ) 2 CO 3 este foarte volatil la temperaturi ridicate și chiar normale, în special în prezența vaporilor de apă, care provoacă hidroliză severă
Acizii puternici și chiar acidul acetic slab înlocuiesc acidul carbonic din carbonați:
K2CO3 + H2SO4 = K2SO4 + H2O + CO2^.
Spre deosebire de majoritatea carbonaților, toți bicarbonații sunt solubili în apă. Sunt mai puțin stabili decât carbonații acelorași metale și, atunci când sunt încălziți, se descompun ușor, transformându-se în carbonați corespunzători:
2KHCO3 = K2CO3 + H2O + CO2^;
Ca(HCO3)2 = CaC03 + H2O + CO2^.
Hidrocarbonații se descompun cu acizi puternici, cum ar fi carbonații:
KHCO3 + H2SO4 = KHS04 + H2O + CO2
Dintre sărurile acidului carbonic, cele mai importante sunt: carbonatul de sodiu (sodă), carbonatul de potasiu (potasul), carbonatul de calciu (cretă, marmură, calcar), bicarbonatul de sodiu (bicarbonat de sodiu) și carbonatul bazic de cupru (CuOH) 2 CO 3 (malachit).
Sărurile bazice ale acidului carbonic sunt practic insolubile în apă și se descompun ușor atunci când sunt încălzite:
(CuOH)2CO3 = 2CuO + CO2 + H2O.
În general, stabilitatea termică a carbonaților depinde de proprietățile de polarizare ale ionilor care formează carbonatul. Cu cât cationul are mai mult polarizare asupra ionului carbonat, cu atât temperatura de descompunere a sării este mai mică. Dacă cationul poate fi deformat cu ușurință, atunci ionul carbonat în sine va avea și un efect de polarizare asupra cationului, ceea ce va duce la o scădere bruscă a temperaturii de descompunere a sării.
Carbonații de sodiu și potasiu se topesc fără descompunere, iar majoritatea celorlalți carbonați se descompun în oxid de metal și dioxid de carbon atunci când sunt încălziți.
- Denumirea - C (Carbon);
- Perioada - II;
- Grupa - 14 (IVa);
- Masa atomică - 12.011;
- Numărul atomic - 6;
- Raza atomică = 77 pm;
- Raza covalentă = 77 pm;
- Distribuția electronilor - 1s 2 2s 2 2p 2 ;
- temperatura de topire = 3550°C;
- punct de fierbere = 4827°C;
- Electronegativitatea (după Pauling/după Alpred și Rochow) = 2,55/2,50;
- Stare de oxidare: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
- Densitatea (nr.) = 2,25 g/cm3 (grafit);
- Volumul molar = 5,3 cm 3 /mol.
Carbonul sub formă de cărbune este cunoscut omului din timpuri imemoriale, prin urmare, nu are sens să vorbim despre data descoperirii sale. De fapt, „carbon” și-a primit numele în 1787, când a fost publicată cartea „Metoda de nomenclatură chimică”, în care a apărut termenul „carbon” (carbon) în locul numelui francez „cărbune pur” (charbone pur).
Carbonul are capacitatea unică de a forma lanțuri polimerice de lungime nelimitată, dând astfel naștere unei clase uriașe de compuși, al căror studiu este efectuat de o ramură separată a chimiei - chimia organică. Compușii organici ai carbonului stau la baza vieții pe pământ, prin urmare, nu are sens să vorbim despre importanța carbonului ca element chimic - este baza vieții pe Pământ.
Acum să ne uităm la carbon din punctul de vedere al chimiei anorganice.
Orez. Structura atomului de carbon.
Configurația electronică a carbonului este 1s 2 2s 2 2p 2 (vezi Structura electronică a atomilor). La nivelul de energie exterior, carbonul are 4 electroni: 2 perechi în subnivelul s + 2 nepereche în orbitalii p. Când un atom de carbon trece la o stare excitată (necesită consum de energie), un electron de la subnivelul s „părăsește” perechea sa și se deplasează la subnivelul p, unde există un orbital liber. Astfel, în starea excitată, configurația electronică a atomului de carbon ia următoarea formă: 1s 2 2s 1 2p 3.
Orez. Trecerea unui atom de carbon la o stare excitată.
Această „rodare” extinde semnificativ capacitățile de valență ale atomilor de carbon, care pot lua o stare de oxidare de la +4 (în compușii cu nemetale active) la -4 (în compușii cu metale).
Într-o stare neexcitată, atomul de carbon din compuși are o valență de 2, de exemplu, CO(II), iar în stare excitată are o valență de 4: CO 2 (IV).
„Unicitatea” atomului de carbon constă în faptul că la nivelul său de energie exterior există 4 electroni, prin urmare, pentru a finaliza nivelul (la care, de fapt, se străduiesc atomii oricărui element chimic), poate, cu egalitate. „succes”, ambele dau și adaugă electroni pentru a forma legături covalente (vezi Legătura covalentă).
Carbonul ca substanță simplă
Ca substanță simplă, carbonul poate fi găsit sub forma mai multor modificări alotropice:
- Diamant
- Grafit
- Fullerene
- carabină
Diamant
Orez. Rețea cristalină de diamant.
Proprietățile diamantului:
- substanță cristalină incoloră;
- cea mai dură substanță din natură;
- are un efect refractiv puternic;
- conduce prost căldura și electricitatea.
Orez. Tetraedru de diamant.
Duritatea excepțională a diamantului se explică prin structura rețelei sale cristaline, care are forma unui tetraedru - în centrul tetraedrului se află un atom de carbon, care este legat prin legături la fel de puternice cu patru atomi vecini care formează vârfurile. a tetraedrului (vezi figura de mai sus). Această „construcție”, la rândul său, este conectată cu tetraedrele vecine.
Grafit
Orez. Rețea de cristal de grafit.
Proprietățile grafitului:
- substanță cristalină moale de culoare gri cu o structură stratificată;
- are un luciu metalic;
- conduce bine electricitatea.
În grafit, atomii de carbon formează hexagoane regulate situate în același plan, organizate în straturi nesfârșite.
În grafit, legăturile chimice dintre atomii de carbon adiacenți sunt formate de cei trei electroni de valență ai fiecărui atom (prezentați cu albastru în figura de mai jos), cu al patrulea electron (indicat cu roșu) al fiecărui atom de carbon situat pe orbitalul p perpendicular. față de planul stratului de grafit, nu participă la formarea legăturilor covalente în planul stratului. „Scopul” său este diferit - interacționând cu „fratele” său situat în stratul adiacent, oferă o conexiune între straturile de grafit, iar mobilitatea ridicată a electronilor p determină buna conductivitate electrică a grafitului.
Orez. Distribuția orbitalilor atomilor de carbon în grafit.
Fullerene
Orez. Rețea cristalină de fullerenă.
Proprietăți fullerene:
- o moleculă de fullerenă este o colecție de atomi de carbon închisă în sfere goale ca o minge de fotbal;
- este o substanță fin-cristalină de culoare galben-portocalie;
- punct de topire = 500-600°C;
- semiconductor;
- face parte din mineralul shungit.
carabină
Proprietăți carbyne:
- substanță inertă neagră;
- constă din molecule liniare polimerice în care atomii sunt legați prin legături simple și triple alternative;
- semiconductor.
Proprietățile chimice ale carbonului
În condiții normale, carbonul este o substanță inertă, dar atunci când este încălzit poate reacționa cu o varietate de substanțe simple și complexe.
S-a spus deja mai sus că la nivelul de energie externă a carbonului există 4 electroni (nici aici, nici acolo), prin urmare carbonul poate atât să renunțe la electroni, cât și să îi accepte, prezentând proprietăți reducătoare în unii compuși și proprietăți oxidante în alții.
Carbonul este agent reducătorîn reacțiile cu oxigenul și alte elemente cu electronegativitate mai mare (vezi tabelul cu electronegativitatea elementelor):
- când este încălzită în aer, arde (cu un exces de oxigen cu formare de dioxid de carbon; cu deficiența sa - monoxid de carbon (II)):
C + O2 = C02;
2C + O2 = 2CO. - reacționează la temperaturi ridicate cu vaporii de sulf, interacționează ușor cu clorul, fluorul:
C + 2S = CS 2
C + 2Cl 2 = CCl 4
2F 2 + C = CF 4 - Când este încălzit, reduce multe metale și nemetale din oxizi:
CO + Cu +2O = Cuo + C +2O;
C0 +C +4O2 = 2C +2O - la o temperatură de 1000°C reacţionează cu apa (proces de gazificare), formând apă gazoasă:
C + H20 = CO + H2;
Carbonul prezintă proprietăți oxidante în reacțiile cu metale și hidrogen:
- reacţionează cu metalele pentru a forma carburi:
Ca + 2C = CaC 2 - interacționând cu hidrogenul, carbonul formează metan:
C + 2H2 = CH4
Carbonul se obține prin descompunerea termică a compușilor săi sau prin piroliza metanului (la temperatură ridicată):
CH4 = C + 2H2.
Aplicarea carbonului
Compușii de carbon au găsit cea mai largă aplicație în economia națională, nu este posibil să-i enumeram pe toți, vom indica doar câțiva:
- grafitul este folosit pentru a face mine de creion, electrozi, creuzete de topire, ca moderator de neutroni în reactoare nucleare și ca lubrifiant;
- Diamantele sunt folosite în bijuterii, ca unealtă de tăiere, în echipamentele de găurit și ca material abraziv;
- Carbonul este folosit ca agent reducător pentru a produce unele metale și nemetale (fier, siliciu);
- cărbunele constituie cea mai mare parte a cărbunelui activat, care și-a găsit o aplicație largă, atât în viața de zi cu zi (de exemplu, ca adsorbant pentru purificarea aerului și a soluțiilor), cât și în medicină (tablete de cărbune activ) și în industrie (ca purtător pentru catalitic). aditivi, un catalizator de polimerizare etc.).
Proprietăți fizice: carbonul formează multe modificări alotrope: diamant- una dintre cele mai dure substanțe grafit, cărbune, funingine.
Un atom de carbon are 6 electroni: 1s 2 2s 2 2p 2 . Ultimii doi electroni sunt localizați în orbitali p separati și sunt nepereche. În principiu, această pereche ar putea ocupa același orbital, dar în acest caz repulsia interelectronului crește foarte mult. Din acest motiv, unul dintre ei ia 2p x, iar celălalt, fie 2p y , sau orbitali z 2p.
Diferența de energie a subnivelurilor s și p ale stratului exterior este mică, astfel încât atomul intră destul de ușor într-o stare excitată, în care unul dintre cei doi electroni din orbitalul 2s trece la unul liber. 2 frecați. O stare de valență apare cu configurația 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Această stare a atomului de carbon este caracteristică rețelei de diamant - aranjamentul spațial tetraedric al orbitalilor hibrizi, lungimea legăturilor și energie identice.
Se știe că acest fenomen este numit sp 3 -hibridare, iar funcţiile emergente sunt sp 3 -hibride . Formarea a patru legături sp 3 oferă atomului de carbon o stare mai stabilă decât trei r-r-și o conexiune s-s. Pe lângă hibridizarea sp 3, hibridizarea sp 2 și sp se observă și la atomul de carbon . În primul caz, apare o suprapunere reciprocă s-și doi p-orbitali. Se formează trei orbitali hibrizi sp 2 echivalenti, situați în același plan la un unghi de 120° unul față de celălalt. Al treilea orbital p este neschimbat și îndreptat perpendicular pe plan sp2.
În timpul hibridizării sp, orbitalii s și p se suprapun. Un unghi de 180° apare între cei doi orbitali hibrizi echivalenti care se formează, în timp ce cei doi orbitali p ai fiecărui atom rămân neschimbați.
Alotropia carbonului. Diamant și grafit
Într-un cristal de grafit, atomii de carbon sunt situați în planuri paralele, ocupând vârfurile hexagoanelor regulate. Fiecare atom de carbon este conectat la trei legături hibride sp 2 vecine. Legătura dintre planuri paralele se realizează datorită forțelor van der Waals. Orbitalii p liberi ai fiecărui atom sunt direcționați perpendicular pe planurile legăturilor covalente. Suprapunerea lor explică legătura π suplimentară dintre atomii de carbon. Astfel, din Starea de valență în care se află atomii de carbon dintr-o substanță determină proprietățile acestei substanțe.
Proprietățile chimice ale carbonului
Cele mai caracteristice stări de oxidare sunt: +4, +2.
La temperaturi scăzute carbonul este inert, dar atunci când este încălzit activitatea sa crește.
Carbonul ca agent reducător:
- cu oxigen
C 0 + O 2 – t° = CO 2 dioxid de carbon
cu lipsă de oxigen - ardere incompletă:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O monoxid de carbon
- cu fluor
C + 2F 2 = CF 4
- cu vapori de apa
C 0 + H 2 O – 1200° = C +2 O + H 2 apă gazoasă
- cu oxizi metalici. Așa este topit metalul din minereu.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2
- cu acizi - agenti oxidanti:
C 0 + 2H 2 SO 4 (conc.) = C + 4 O 2 + 2SO 2 + 2H 2 O
C 0 + 4HNO 3 (conc.) = C + 4 O 2 + 4NO 2 + 2H 2 O
- formează disulfură de carbon cu sulf:
C + 2S 2 = CS 2.
Carbonul ca agent oxidant:
- formează carburi cu unele metale
4Al + 3C0 = Al4C3
Ca + 2C0 = CaC2-4
- cu hidrogen - metan (precum și un număr mare de compuși organici)
CO + 2H2 = CH4
— cu siliciu, formează carborundum (la 2000 °C într-un cuptor electric):
Găsirea carbonului în natură
Carbonul liber apare sub formă de diamant și grafit. Sub formă de compuși, carbonul se găsește în minerale: cretă, marmură, calcar - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 *CaCO 3; hidrocarbonați - Mg(HCO3)2 și Ca(HCO3)2, CO2 face parte din aer; Carbonul este componenta principală a compușilor organici naturali - gaz, petrol, cărbune, turbă și face parte din substanțele organice, proteinele, grăsimile, carbohidrații, aminoacizii care formează organismele vii.
Compuși anorganici de carbon
Nici ionii C4+ și nici C4- nu se formează în timpul niciunui proces chimic convențional: compușii de carbon conțin legături covalente de polarități diferite.
monoxid de carbon CO
monoxid de carbon; incolor, inodor, ușor solubil în apă, solubil în solvenți organici, toxic, punct de fierbere = -192°C; t pl. = -205°C.
chitanta
1) În industrie (în generatoare de gaz):
C + O2 = CO2
2) În laborator - descompunerea termică a acidului formic sau oxalic în prezența H 2 SO 4 (conc.):
HCOOH = H2O + CO
H2C2O4 = CO + CO2 + H2O
Proprietăți chimice
În condiții normale, CO este inert; când este încălzit - un agent reducător; oxid neformator de sare.
1) cu oxigen
2C +2 O + O 2 = 2C +4 O 2
2) cu oxizi metalici
C +2 O + CuO = Cu + C +4 O 2
3) cu clor (la lumină)
CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (fosgen)
4) reacționează cu topituri alcaline (sub presiune)
CO + NaOH = HCOONa (formiat de sodiu)
5) formează carbonili cu metalele de tranziție
Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4
Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5
Monoxid de carbon (IV) CO2
Dioxid de carbon, incolor, inodor, solubilitate în apă - 0,9 V CO 2 se dizolvă în 1 V H 2 O (în condiții normale); mai greu decât aerul; t°pl. = -78,5°C (CO 2 solid se numește „gheață uscată”); nu suportă arderea.
chitanta
- Descompunerea termică a sărurilor acidului carbonic (carbonați). Arderea calcarului:
CaCO 3 – t° = CaO + CO 2
- Acțiunea acizilor puternici asupra carbonaților și bicarbonaților:
CaC03 + 2HCI = CaCI2 + H2O + CO2
NaHC03 + HCI = NaCI + H2O + CO2
ChimicproprietățiCO2
Oxid acid: Reacționează cu oxizii și bazele bazice pentru a forma săruri de acid carbonic
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
NaOH + CO2 = NaHCO3
La temperaturi ridicate poate prezenta proprietăți oxidante
C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0
Reacție calitativă
Încețoarea apei de var:
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (precipitat alb) + H 2 O
Dispare atunci când CO 2 este trecut mult timp prin apa de var, deoarece carbonatul de calciu insolubil se transformă în bicarbonat solubil:
CaCO3 + H2O + CO2 = Ca(HCO3)2
Acidul carbonic și a acestuiasare
H 2CO 3 - Un acid slab, există numai în soluție apoasă:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
Dibazic:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Săruri acide - bicarbonați, bicarbonați
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Săruri medii - carbonați
Toate proprietățile acizilor sunt caracteristice.
Carbonații și bicarbonații se pot transforma unul în celălalt:
2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Na2CO3 + H2O + CO2 = 2NaHCO3
Carbonații metalici (cu excepția metalelor alcaline) se decarboxilează atunci când sunt încălziți pentru a forma un oxid:
CuCO 3 – t° = CuO + CO 2
Reacție calitativă- „fierbe” sub influența unui acid puternic:
Na2CO3 + 2HCI = 2NaCI + H2O + CO2
CO32- + 2H+ = H2O + CO2
Carburi
Carbură de calciu:
CaO + 3 C = CaC 2 + CO
CaC2 + 2H2O = Ca(OH)2 + C2H2.
Acetilena este eliberată atunci când carburile de zinc, cadmiu, lantan și ceriu reacţionează cu apa:
2 LaC2 + 6 H2O = 2La(OH)3 + 2 C2H2 + H2.
Be 2 C și Al 4 C 3 se descompun cu apă pentru a forma metan:
Al4C3 + 12H2O = 4Al(OH)3 = 3CH4.
În tehnologie, se folosesc carburi de titan TiC, tungsten W 2 C (aliaje dure), siliciu SiC (carborundum - ca abraziv și material pentru încălzitoare).
Cianură
obtinut prin incalzirea sifonului intr-o atmosfera de amoniac si monoxid de carbon:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
Acidul cianhidric HCN este un produs important al industriei chimice și este utilizat pe scară largă în sinteza organică. Producția sa globală ajunge la 200 de mii de tone pe an. Structura electronică a anionului de cianură este similară cu monoxidul de carbon (II), astfel de particule sunt numite izoelectronice:
C = O: [:C = N:] –
Cianurile (soluție apoasă 0,1-0,2%) sunt utilizate în exploatarea aurului:
2 Au + 4 KCN + H2O + 0,5 O2 = 2 K + 2 KOH.
Când se fierb soluții de cianură cu sulf sau solide în topire, se formează tiocianați:
KCN + S = KSCN.
La încălzirea cianurilor de metale slab active, se obține cianura: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Soluțiile de cianuri sunt oxidate la cianați:
2 KCN + O2 = 2 KOCN.
Acidul cianic există sub două forme:
H-N=C=O; H-O-C = N:
În 1828, Friedrich Wöhler (1800-1882) a obţinut uree din cianat de amoniu: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 prin evaporarea unei soluţii apoase.
Acest eveniment este de obicei privit ca victoria chimiei sintetice asupra „teoriei vitaliste”.
Există un izomer al acidului cianic - acid exploziv
H-O-N=C.
Sărurile sale (fulminat mercuric Hg(ONC) 2) sunt folosite în aprinderi cu impact.
Sinteză uree(uree):
CO2 + 2NH3 = CO(NH2)2 + H2O. La 130 0 C şi 100 atm.
Ureea este o amidă a acidului carbonic, există și „analogul său de azot” – guanidina.
Carbonați
Cei mai importanți compuși anorganici de carbon sunt sărurile acidului carbonic (carbonații). H2C03 este un acid slab (K1 = 1,3 10-4; K2 = 5 10-11). Suporturi tampon carbonat echilibrul de dioxid de carbonîn atmosferă. Oceanele lumii au o capacitate tampon enormă, deoarece sunt un sistem deschis. Principala reacție tampon este echilibrul în timpul disocierii acidului carbonic:
H2CO3↔ H++ + HCO3-.
Când aciditatea scade, are loc o absorbție suplimentară a dioxidului de carbon din atmosferă odată cu formarea acidului:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 .
Pe măsură ce aciditatea crește, rocile carbonatice (scoci, cretă și sedimente de calcar din ocean) se dizolvă; aceasta compensează pierderea ionilor de hidrocarbonat:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —
CaCO 3 (solid) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
Carbonații solizi se transformă în bicarbonați solubili. Acest proces de dizolvare chimică a excesului de dioxid de carbon este cel care contracarează „efectul de seră” - încălzirea globală datorită absorbției radiațiilor termice de pe Pământ de către dioxidul de carbon. Aproximativ o treime din producția mondială de sodă (carbonat de sodiu Na 2 CO 3) este utilizată în producția de sticlă.