Положение элементов подгруппы углерода в периодической системе элементов
Подгруппа углерода расположена в главной подгруппе IV группы во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Строение
Электронная конфигурация углерода в основном состоянии:
Электронная конфигурация углерода в возбужденном состоянии:
Степени окисления атома углерода — от -4 до +4. Характерные степени окисления -4, 0, +2, +4.
Физические свойства
Углерод в природе существует в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаз, графит, карбин, фуллерен.
Алмаз — аллотропная модификация углерода с атомной кристаллической решеткой, атомы углерода в узлах кристаллической решетки находятся в состоянии sp3 — гибридизации. Алмаз — самое твердое минеральное кристаллическое вещество, прозрачное, плохо проводит электрический ток и тепло.
Графит — аллотропная модификация, атомы углерода в узлах находятся в состоянии sp2-гибридизации. При этом атомы связаны в плоские слои, состоящие из шестиугольников, как пчелиные соты. Слои удерживаются между собой слабыми связями. Это наиболее устойчивая при нормальных условиях аллотропная модификация углерода. Графит — мягкое вещество серо-стального цвета, с металлическим блеском. Хорошо проводит электрический ток. Жирный на ощупь.
Карбин — вещество, в составе которого атомы углерода находятся в sp-гибридизации. Состоит из цепочек и циклов, в которых атомы углерода соединены двойными и тройными связями. Карбин — мелкокристаллический порошок серого цвета.
[=C=C=C=C=C=C=]n или [–C≡C–C≡C–C≡C–]n
Фуллерен — это искусственно полученная модифицикация углерода. Молекулы фуллерена — выпуклые многогранники С60, С70 и др. Многогранники образованы пяти- и шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Фуллерены — черные вещества с металлическим блеском, обладающие свойствами полупроводников.
В природе углерод встречается как в виде простых веществ (алмаз, графит), так и в виде сложных соединений (органические вещества — нефть, природные газ, каменный уголь, карбонаты).
Кремний образует тёмно-серые со смолистым блеском хрупкие кристаллы, решётка гранецентрированная кубическая типа алмаза (а=0,5431 нм). Плотность 2328 кг/м3, t плавления 1415°С, t кипения около 3250°С.
Германий — хрупкий, серебристо-белый полуметалл. Кристаллическая решётка устойчивой при нормальных условиях аллотропной модификации — кубическая типа алмаза. Температура плавления 938,25 °C, температура кипения 2850 °C, плотность германия 5,33 г/см3.
Олово — пластичный, ковкий и легкоплавкий блестящий металл серебристо-белого цвета.
Если согнуть брусок из чистого олова, раздастся звук, отдаленно напоминающий скрип промороженного снега под ногами. Это явление было названо «оловянным криком». Если в олово добавлено хотя бы немного другого металла, например свинца, олово сразу же теряет свой «голос». «Оловянный крик» стал одним из признаков, по которому судят о чистоте металла.
Небольшие кусочки металла легко расплавить даже в пламени свечи. Плотность: в твёрдом состоянии при +20 °С — 7,3 г/см³; в жидком состоянии при температуре плавления — 6,98 г/см³. Температура: плавления — 231,91 °С; кипения — 2620 °С.
Свинец имеет довольно низкую теплопроводность, она составляет 35,1 Вт/(м·К), при температуре 0 °C. Металл мягкий, режется ножом, легко царапается ногтем. Его поверхность обычно покрыта более или менее толстой плёнкой оксидов, на срезе имеет металлический блеск, который на воздухе со временем тускнеет.
Химические свойства
При нормальных условиях углерод существует, как правило, в виде атомных кристаллов (алмаз, графит), поэтому химическая активность углерода — невысокая.
1. Углерод восстановитель в реакции с элементами, располагающимися в ПСХЭ Д.И. Менделеева правее и выше. Углерод окислитель в реакциях с элементами, располагающимися в ПСХЭ Д.И. Менделеева левее и ниже.
1.1. + F2
Углерод реагирует при н.у. со фтором:
C + 2F2 → CF4
1.2. +S, + Si
C серой и кремний реагирует при высоких температурах с образованием сероуглерода и карбида кремния соответственно:
C + 2S → CS2
C + Si → SiC
1.3. + Р
Углерод не взаимодействует с фосфором.
1.4 + Н2
Взаимодействие с водородом в присутствии металлического катализатора — никеля и при нагревании приводит к образованию газа — метана:
С + 2Н2 → СН4
1.5. N2
С азотом углерод реагирует при действии электрического разряда, образуя дициан:
2С + N2 → N≡C–C≡N
1.6. + активные Me
В реакциях с активными металлами углерод проявляет свойства окислителя. При этом образуются карбиды:
4C + 3Al → Al4C3
2C + Ca → CaC2
1.7. + O2
При нагревании с избытком воздуха графит горит, образуя оксид углерода (IV):
C + O2 → CO2
при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:
2C + O2 → 2CO
2. + сложные вещества:
2.1. + H2O
Раскаленный уголь взаимодействует с водяным паром с образованием угарного газа и водорода:
C0 + H2+O → C+2O + H20
2.2. Восстановление
Углерод восстанавливает многие металлы из основных и амфотерных оксидов. При этом образуются металл и угарный газ. Получение металлов из оксидов с помощью углерода и его соединений называют пирометаллургией.
ZnO + C → Zn + CO
4С + Fe3O4 → 3Fe + 4CO
При взаимодействии с оксидами активных металлов углерод образует карбиды.
3С + СаО → СаС2 + СО
9С + 2Al2O3 → Al4C3 + 6CO
2.3. +H2SO4(конц)
Концентрированная серная кислота окисляет углерод при нагревании.
C +2H2SO4(конц) → CO2 + 2SO2 + 2H2O
2.4. +HNO3(конц)
Концентрированная азотная кислотой окисляет углерод также при нагревании.
C +4HNO3(конц) → CO2 + 4NO2 + 2H2O
2.5. +соль
Свойства восстановителя углерод проявляет при сплавлении с некоторыми солями, которые содержат неметаллы в высшей степени окисления.
4C + Na2SO4 → Na2S + 4CO
Качественные реакции
0 комментариев