Соединения углерода (–4)

По типу химической связи можно выделить ковалентные, ионно-ковалентные и металлоподобные карбиды. Ионных карбидов не выделяют, так как углерод имеет небольшое значение электроотрицательности.

Ковалентные карбиды кремния SiC и бора В₄С₃ (неустойчив, более устойчив нестехиометрический карбид В₄С, имеющий полимерное строение). Характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью и химической инертностью.

SiC – карборунд, имеет структуру алмаза, тугоплавкое твердое вещество. По твердости приближен к алмазу.

СН₄ – метан. Является основным компонентом природного газа. Химически инертен вследствие валентной и координационной насыщенности молекулы. На него не действуют кислоты и щелочи.

Ионно-ковалентные карбиды – кристаллические солеподобные вещества. Их можно рассматривать как производные соответствующих углеводородов.

Метаниды – производные метана, при гидролизе образуют метан:

Аl₄C₃ + 12Н₂О = 4Аl(OH)₃ +3CH₄.

Ацетилениды – производные ацетилена, при гидролизе образуют ацетилен:

СаС₂ + 2Н₂О = Са(OH)₂ + С₂Н₂.

Металлоподобные карбиды – карбиды d-элементов IV–VIII групп. Имеют нестехиометрический состав, например: Mo₂C, Fe₃C, Mn₃C. Обладают высокой твердостью, жаростойкостью. Входят в состав чугунов и сталей. Придают им твердость, износоустойчивость и другие ценные свойства.

Соединения углерода (+2)

СО – оксид углерода (II) (угарный газ), несолеобразующий оксид, не имеет соответствующего гидрата. Оксид углерода (II) – при обычных условиях газ без цвета и запаха, сжижающийся при атмосферном давлении при температуре –191,5 °С и затвердевающий при – 204 °С. Молекула СО изоэлектронна молекуле N₂. Обе эти молекулы содержат равное число электронов, атомы в них соединены тройной связью. Две связи в молекуле СО образованы по обменному механизму за счет 2р-электронов атомов углерода и кислорода, а третья – по донорно-акцепторному механизму с участием неподеленной электронной пары атома кислорода и свободной 2р-орбитали атома углерода):

Химические свойства СО

1) Реагирует со сплавами щелочей с образованием формиата натрия:

СО + NaOH_тв = HCOONa.

2) Восстанавливает металлы из их оксидов:

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂.

3) Восстанавливает кислород:

2СО + О₂ = 2СО₂.

4) Восстанавливает хлор с образованием фосгена:

СО + Сl₂ = COCl₂.

5) Окислительные свойства проявляет при взаимодействии с Н₂:

2Н₂ + СО = СH₃OH.

Биологическая роль угарного газа

Угарный газ опасен тем, что лишает возможности кровь переносить кислород, поскольку соединяется с гемоглобином, который переносит кислород к органам организма, вследствие чего тот становится непригодным для транспортировки кислорода. В зависимости от вдыхаемого количества, угарный газ ухудшает координацию, обостряет сердечно-сосудистые заболевания и вызывают усталость, головную боль, слабость. Влияние угарного газа на здоровье человека зависит от его концентрации и времени воздействия на организм. Концентрация угарного газа в воздухе более 0,1 % приводит к смерти в течении одного часа, а концентрация более 0,2 % – в течении трех минут.

НСN – циановодород. Водный раствор цианистоводородная или синильная кислота, слабая кислота. Соли – цианиды: NaCN, Ca(CN)₂. Также как и СО, анион СN^– обладает электронно-донорной способностью и выступает в комплексных соединениях: К₃[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль), К₄[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (II) калия (желтая кровяная соль).

Цианиды являются сильными восстановителями. Обладают окислительно-восстановительной амфотерностью с преобладанием восстановительных свойств:

НСN + S = HCSN (роданид водорода).

При нагревании цианидов малоактивных металлов образуется дициан (CN)₂:

Нg(CN)₂ = Hg + (CN)₂.

Цианиды чрезвычайно ядовиты.

По своим свойства дициан похож на галоген и его называют псевдогалогеном. Так, при взаимодействии с водородом дициан образует НСN:

(CN)₂ + Н₂ = 2HCN.

Соединения углерода (+4)

СО₂ – оксид углерода (IV), углекислый газ – газ, без цвета и запаха, тяжелее воздуха. Углекислый газ имеет следующую электронную и структурную формулу:

или

Все четыре связи ковалентные полярные, однако в целом молекула неполярная, т.к. имеет линейную форму.

СО₂ проявляет общие свойства, характерные для кислотных оксидов.

1. С водой образует непрочную угольную кислоту:

СO₂ + H₂O = H₂CO₃.

2. Реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты:

Na₂O + CO₂ = Na₂CO₃,

2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O,

NaOH + CO_2(изб) = NaНCO₃.

Н₂СО₃ – угольная кислота. В индивидуальном состоянии не выделена, существует только в растворе, является слабым электролитом. Проявляет все свойства кислот.

Оксид углерода (IV) образуется в природе при дыхании животных и растений, при гниении органических остатков в почве, при пожарах. В угольных шахтах из-за медленного окисления угля содержание углекислого газа также выше, чем на открытом воздухе. Служба охраны труда следит за тем, чтобы оно не превышало установленной нормы (30 мг/м³).

Для растений углекислый газ служит источником углерода, обогащение им воздуха в парниках и теплицах приводит к повышению урожая. Оксид углерода (IV) применяют также для газирования воды и напитков, жидким CO₂ заряжают огнетушители. Твердый оксид углерода (IV) под названием сухого льда применяют для охлаждения продуктов. Преимущество сухого льда по сравнению с обычным льдом заключается в том, что он поддерживает в окружающем пространстве значительно более низкую температуру и испаряется, не переходя в жидкое состояние.

Наиболее распространен в природе карбонат кальция – СаСО₃ (известняк, мрамор, мел). Залежи пород, содержащих карбонат кальция, особенно известняка, встречаются довольно часто.

Из искусственно получаемых карбонатов большое значение имеет карбонат натрия Na₂CO₃. Безводный карбонат натрия известен под названием кальцинированной соды, а кристаллогидрат Na₂CO₃∙10H₂O – кристаллической соды. Соду применяют для производства мыла, стекла.

При насыщении раствора соды углекислым газом она переходит в гидрокарбонат натрия NaHCO₃. Гидрокарбонат натрия известен под названием питьевой соды. Питьевую соду применяют в кондитерском деле и хлебопечении.

При нагревании она разлагается с выделением углекислого газа и паров воды:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O + СО₂.

Поэтому питьевую соду вводят в состав хлебопекарных порошков, добавляемых к тесту. Такое тесто подходит без применения дрожжей и заквасок, наполняясь пузырьками углекислого газа, выпеченный из него продукт получается пористым и мягким.

Адсорбция

Свободный углерод (в виде, например, древесного угля) не только нелетуч, но и неплавок. Поэтому в таком угле сохраняется тонкопористое строение древесины, все тончайшие каналы, по которым в дереве перемещались растворы минеральных солей. Если измерить поверхность всех частиц, находящихся в угольном порошке массой 1 г, или всех пор и каналов в 1 г древесного угля, получится площадь во много десятков и даже сотен квадратных метров.

Если в колбу, содержащую воздух с примесью оксида азота (IV), поместить кусочки угля, бурая окраска газа исчезнет: оксид азота (IV) поглотится углем. Если далее нагревать уголь, то оксид азота (IV) в колбе появится вновь. Можно также проделать следующий опыт: взболтать с угольным порошком раствор лакмуса. Окраска раствора постепенно исчезнет, поскольку лакмус поглотится углем.

Удержание углем и другими твердыми веществами на своей поверхности газа или растворенного вещества называется адсорбцией.

Чем больше пористость угля, тем больше газа или растворенного вещества он может адсорбировать. Для увеличения пористости угля его активируют повторным нагреванием без доступа воздуха. В результате удаляются остатки продуктов, закупоривающие капилляры в угле.

Уголь адсорбирует все газы, включая инертные, но неодинаково. В частности, чем легче сжижается газ, тем сильнее он адсорбируется. Адсорбированный углем газ можно извлечь из него, нагревая уголь. Этим пользуются для регенерации угля, то есть возвращения ему способности к адсорбции. Уголь применяют в производстве сахара и спирта для очистки их от примесей. Активированный уголь применяется в медицине, а также используют в фильтрующих противогазах для защиты дыхательных путей от токсичных газов.

Круговорот углерода в природе

Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена на основе углеродного скелета. Атомы углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.

Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане углекислого газа. Растения поглощают CO₂ и в процессе фотосинтеза образуются разнообразные органические соединения. Таким образом, атомы углерода включаются в структуру растений.

Углерод постоянно циркулирует в земной биосфере по замкнутым взаимосвязанным путям. В настоящее время к природным процессам добавляются последствия сжигания ископаемого топлива.

Значение углерода как биогенного элемента

Углерод имеет большое народнохозяйственное значение, поскольку свыше 90 % всех первичных источников потребляемой в мире энергии приходится на органическое топливо, главенствующая роль которого сохранится и на ближайшие десятилетия, несмотря на интенсивное развитие ядерной энергетики. Только около 10 % добываемого топлива используется в качестве сырья для основного органического синтеза и нефтехимического синтеза, для получения пластичных масс и др.

Углерод – важнейший биогенный элемент, составляющий основу жизни на Земле, структурная единица огромного числа органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты, биополимеры, а также многочисленные низкомолекулярные биологически активные вещества – витамины, гормоны, медиаторы). За счет окисления углерода в клетках образуется значительная часть необходимой живым организмам энергии.

Возникновение жизни на Земле рассматривается в современной науке как сложный процесс эволюции углеродистых соединений. Уникальная роль углерода в живой природе обусловлена его свойствами, которыми в совокупности не обладает ни один другой элемент периодической системы. Между атомами углерода, а также между атомом углерода и атомами других элементов образуются прочные химические связи, которые, однако, могут быть разорваны в сравнительно мягких физиологических условиях. Способность углерода образовывать 4 равнозначные связи с другими атомами создает возможность для построения углеродных скелетов различных типов – линейных, разветвленных, циклических.

Показательно, что всего три элемента (С, О, Н) составляют 98 % общей массы живых организмов. Этим достигается определенная экономичность в живой природе: при практически безграничном структурном разнообразии углеродистых соединений небольшое число типов химических связей позволяет значительно сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ.

Особенности строения атома углерода лежат в основе различных видов изомерии органических соединений.

Согласно гипотезе А.И. Опарина, первые органические соединения на Земле имели абиогенное происхождение. Источниками углерода служили (СН₄) и цианистый водород (HCN), содержавшиеся в первичной атмосфере Земли. С возникновением жизни единственным источником неорганического углерода, за счет которого образуется всё органическое вещество биосферы, является СО₂. Наиболее мощный механизм усвоения углерода представляет собой процесс фотосинтеза.

Помимо стабильных изотопов углерода, в природе распространен радиоактивный ¹⁴С (в организме человека его содержится около 0,1 мккюри). С использованием изотопов углерода в биологических и медицинских исследованиях связаны многие крупные достижения в изучении обмена веществ и круговорота углерода в природе. Применение ¹⁴С способствовало успехам молекулярной биологии в изучении механизмов биосинтеза белка и передачи наследственной информации. Определение удельной активности ¹⁴С в углеродсодержащих органических остатках позволяет судить об их возрасте, что используется в палеонтологии и археологии.

3. Кремний

Поиск по сайту: