У стані з'єднань вуглецьвходить до складу про органічних речовин, т. е. безлічі речовин, що у тілі будь-якої рослини і тварини. Він знаходиться у вигляді вуглекислого газу у воді та повітрі, а у вигляді солей вуглекислоти та органічних залишків у грунті та масі земної кори. Різноманітність речовин, що становлять тіло тварин та рослин, відоме кожному. Віск і масло, скипидар і смола, бавовняний папір і білок, клітинна тканина рослин і м'язова тканина тварин, винна кислота і крохмаль - всі ці та безліч інших речовин, що входять у тканини та соки рослин і тварин, являють собою вуглецеві сполуки. Область сполук вуглецю така велика, що становить особливу галузь хімії, тобто хімії вуглецевих або, краще, вуглеводневих сполук».

Ці слова з «Основ хімії» Д. І. Менделєєва служать хіба що розгорнутим епіграфом до нашої розповіді про життєво важливому елементі - вуглецю. Втім, є тут одна теза, з якою, з погляду сучасної науки про речовину, можна й посперечатися, але про це нижче.

Мабуть, пальців на руках вистачить, щоб перерахувати хімічні елементи, яким не було присвячено хоча б одну наукову книгу. Але самостійна науково-популярна книга – не якась брошурка на 20 неповних сторінках з обкладинкою з обгорткового паперу, а цілком солідний том обсягом майже 500 сторінок – є в активі лише одного елемента – вуглецю.

І взагалі література з вуглецю - найбагатша. Це, по-перше, все без винятку книги та статті хіміків-органіків; по-друге, майже все, що стосується полімерів; по-третє, незлічені видання, пов'язані з горючими копалинами; по-четверте, значна частина медикобіологічної літератури.

Тому не намагатимемося осягнути неосяжне (адже не випадково автори популярної книги про елемент № 6 назвали її «Невичерпний»!), а сконцентруємо увагу лише на головному з головного – спробуємо побачити вуглець із трьох точок зору.

Вуглець - один із нечисленних елементів"без роду, без племені". Історія спілкування людини з цією речовиною сягає часів доісторичних. Ім'я першовідкривача вуглецю невідоме, невідомо й те, яка з форм елементного вуглецю – алмаз чи графіт – була відкрита раніше. І те й інше сталося дуже давно. Безперечно стверджувати можна лише одне: до алмазу і до графіту було відкрито речовину, яку ще кілька десятиліть тому вважали третьою, аморфною формою елементного вуглецю - вугілля. Але насправді вугілля, навіть деревне, це не чистий вуглець. У ньому є водень, і кисень, і сліди інших елементів. Правда, їх можна видалити, але і тоді вуглець не стане самостійною модифікацією елементного вуглецю. Це було встановлено лише у другій чверті ХХ століття. Структурний аналіз показав, що аморфний вуглець - це сутнісно той самий графіт. Отже, ніякий він не аморфний, а кристалічний; тільки кристали його дуже дрібні та більше у них дефектів. Після цього стали вважати, що вуглець Землі існує лише у двох елементарних формах - як графіту і алмазу.

Вам ніколи не доводилося замислюватися про причини різкого «вододілу» властивостей, що проходить у другому короткому періоді менделєєвської таблиці по лінії, що відокремлює вуглець від азоту, що слідує за ним? Азот, кисень, фтор за звичайних умов газоподібні. Вуглець – у будь-якій формі – тверде тіло. Температура плавлення азоту - мінус 210,5°С, а вуглецю (у вигляді графіту під тиском понад 100 атм) - близько плюс 4000°С.

Дмитро Іванович Менделєєв першим припустив, що це різниця пояснюється полімерним будовою молекул вуглецю. Він писав: «Якби вуглець утворював молекулу C 2 як і O 2 , то був би газом». І далі: «Здатність атомів вугілля з'єднуватися між собою і давати складні молекули проявляється у всіх вуглецевих сполуках. У жодному з елементів така здатність до ускладнення не розвинена такою мірою, як у вуглеці. Досі немає підстав для визначення міри полімеризації вугільної, графітної, алмазної молекули, тільки можна думати, що в них міститься С п, де n є велика величина».

Вуглець та його полімери

Це припущення підтвердилося нашого часу. І графіт, і алмаз - полімери, що складаються з однакових лише вуглецевих атомів.

За влучним зауваженням професора Ю.В. Ходакова, «якщо виходити з природи сил, що долаються, професію гранильника алмазів можна було б віднести до хімічних професій». Справді, гранильнику доводиться долати не порівняно слабкі сили міжмолекулярної взаємодії, а сили хімічного зв'язку, якими об'єднані молекулу алмазу вуглецеві атоми. Будь-який кристал алмазу, навіть величезний, шестисотграмовий «Куллінан» - це по суті одна молекула, молекула надзвичайно регулярного, майже ідеально побудованого тривимірного полімеру.

Інша справа графіт. Тут полімерна впорядкованість поширюється лише у двох напрямах - площиною, а чи не у просторі. У шматку графіту ці площини утворюють досить щільну пачку, шари якої з'єднані між собою не хімічними силами, а слабкішими силами міжмолекулярної взаємодії. Ось чому так просто - навіть від дотику до паперу - розшаровується графіт. У той же час розірвати графітову платівку у поперечному напрямку дуже складно – тут протидіє хімічний зв'язок.

Саме особливості молекулярної будови пояснюють величезну різницю у властивостях графіту та алмазу. Графіт відмінно проводить тепло та електрику, алмаз – ізолятор. Графіт зовсім не пропускає світла – алмаз прозорий. Якими б способами не окисляли алмаз, продуктом окислення буде лише CO2. А окислюючи графіт, можна за бажання отримати кілька проміжних продуктів, зокрема графітову (змінного складу) та мелітову C 6 (COOH) 6 кислоти. Кисень як би вклинюється між шарами графітової пачки і окислює лише деякі вуглецеві атоми. У кристалі алмазу слабких місць немає, і тому можливе або повне окислення або повне неокислення - третього не дано...

Отже, є «просторовий» полімер елементного вуглецю, є «площинний». У принципі, давно вже допускалося існування і «одномірного» - лінійного полімеру вуглецю, але в природі він не був знайдений.

Не був знайдений до певного часу. Через кілька років після синтезу лінійний полімер вуглецю було знайдено у метеоритному кратері, на території ФРН. А отримали його першими радянські хіміки В. В. Коршак, А. М. Сладков, В. І. Касаточкін та Ю.П. Кудрявці. Лінійний полімер вуглецю назвали карбіном. Зовні він виглядає як чорний дрібнокристалічний порошок, має напівпровідникові властивості, причому під дією світла електропровідність карбину сильно збільшується. Відкрилися біля карбину і зовсім несподівані властивості. Виявилося, наприклад, що кров при контакті з ним не утворює згустків - тромбів, тому волокно з покриттям з карбину стали застосовувати при виготовленні штучних кровоносних судин, що не відторгаються організмом.

За словами першовідкривачів карбину, найскладнішим для них було визначити, якими ж зв'язками з'єднані в ланцюжок вуглецеві атоми. У ньому могли бути одинарні і потрійні зв'язки, що чергуються (-C = C-C=C -С=), а могли бути тільки подвійні (=C=C=C=C=)... А могло бути і те й інше одночасно. Лише за кілька років Коршаку та Сладкову вдалося довести, що подвійних зв'язків у карбіні немає. Однак, оскільки теорія допускала існування вуглецевого лінійного полімеру тільки з подвійними зв'язками, була спроба отримати цей різновид - по суті, четверту модифікацію елементного вуглецю.

Вуглець у мінералах

Ця речовина була отримана в Інституті елементоорганічних сполук АН СРСР. Новий лінійний полімер вуглецю назвали полікумулен. А зараз відомо не менше восьми лінійних полімерів вуглецю, що відрізняються один від одного будовою кристалічних ґрат. У зарубіжній літературі їх називають карбінами.

Цей елемент завжди чотиривалентний, але, оскільки в періоді він знаходиться якраз посередині, ступінь його окиснення в різних обставинах буває то +4, то - 4. У реакціях з неметалами він є електропозитивним, з металами - навпаки. Навіть у тих випадках, коли зв'язок не іонна, а ковалентна, вуглець залишається вірним собі - його формальна валентність залишається рівною чотирьом.

Дуже нечисленні сполуки, в яких вуглець хоча б формально виявляє валентність, відмінну від чотирьох. Загальновідомо лише одне таке з'єднання - CO, чадний газ, у якому вуглець здається двовалентним. Саме здається, бо насправді тут складніший тип зв'язку. Атоми вуглецю та кисню з'єднані 3-ковалентним поляризованим зв'язком, і структурну формулу цієї сполуки пишуть так: O+=C".

У 1900 р. М. Гомберг отримав органічну сполуку трифенілметил (C 6 H 5) 3 C. Здавалося, що атом вуглецю тут тривалентний. Але пізніше з'ясувалося, що і цього разу незвичайна валентність – суто формальна. Трифенілметил та його аналоги - це вільні радикали, лише на відміну більшості радикалів досить стабільні.

Історично склалося так, що лише дуже небагато з'єднань вуглецю залишилися «під дахом» неорганічної хімії. Це оксиди вуглецю, карбіди - його сполуки з металами, і навіть бором і кремнієм, карбонати - солі найслабкішої вугільної кислоти, сірковуглець CS 2 , ціаністі сполуки. Доводиться втішатися тим, що, як це часто буває (або бувало) з виробництва, недоробку за номенклатурою компенсує «вал». Дійсно, найбільша частина вуглецю земної кори міститься не в організмах рослин і тварин, не у вугіллі, нафті та всій іншій органіці, разом узятій, а всього у двох неорганічних сполуках - вапняку CaCO 3 і доломіть MgCa(CO 3) 2 . Вуглець входить до складу ще декількох десятків мінералів, досить згадати про мармур CaCO 3 (з добавками), малахіті Cu 2 (OH) 2 CO 3 , мінералі цинку смітсоніті ZnCO 3 ... Є вуглець і в магматичних породах, і в кристалічних сланцях.

Дуже рідкісні мінерали, до складу яких входять карбіди. Зазвичай, це речовини особливо глибинного походження; тому вчені припускають, що у ядрі земної кулі є вуглець.

Для хімічної промисловості вуглець та її неорганічні сполуки становлять значний інтерес - найчастіше як сировину, рідше як конструкційні матеріали.

Багато апаратів хімічних виробництв, наприклад теплообмінники, виготовляють із графіту. І це природно: графіт має велику термостійкість і хімічну стійкість і при цьому чудово проводить тепло. До речі, завдяки цим властивостям графіт став важливим матеріалом реактивної техніки. З графіту зроблено кермо, що працюють безпосередньо в полум'ї соплових апаратів. У повітрі спалахнути графіт практично неможливо (навіть у чистому кисні зробити це непросто), а щоб випарувати графіт, потрібна температура, набагато вища, ніж розвивається навіть у ракетному двигуні. І, крім того, за нормального тиску графіт, як і граніт, не плавиться.

Без графіту важко уявити сучасне електрохімічне виробництво. Графітові електроди використовуються як електрометалургами, а й хіміками. Досить, що у электролизерах, застосовуваних отримання каустичної соди і хлору, аноди - графітові.

Використання вуглецю

Про використання сполук вуглецю в хімічній промисловості написано багато книг. Карбонат кальцію, вапняк, служить сировиною у виробництві вапна, цементу, карбіду кальцію. Інший мінерал – доломіт – «праотець» великої групи доломітових вогнетривів. Карбонат та гідрокарбонат натрію - кальцинована та питна сода. Одним із основних споживачів кальцинованої соди була і залишається скляна промисловість, на потреби якої йде приблизно третина світового виробництва Na 2 CO 3 .

І нарешті, трохи про карбіди. Зазвичай, коли говорять карбід, мають на увазі карбід кальцію - джерело ацетилену, отже, численних продуктів органічного синтезу. Але карбід кальцію, хоч і найвідоміше, але далеко не єдина дуже важлива і потрібна речовина цієї групи. Карбід бору B 4 C - важливий атомний матеріал

техніки, карбід кремнію SiC або карборунд - найважливіший абразивний матеріал. Карбідам багатьох металів властиві висока хімічна стійкість та виняткова твердість; карборунд, наприклад, лише трохи поступається алмазу. Його твердість за шкалою Mooca дорівнює 95-975 (алмазу - 10). Але карборунд дешевший за алмаз. Його отримують в електричних печах при температурі близько 2000°З суміші коксу і кварцового піску.

За словами відомого радянського вченого академіка І.Л. Кнунянца, органічну хімію можна як своєрідний міст, перекинутий наукою від неживої природи до вищої її формі - життя. А лише півтора століття тому найкращі хіміки на той час самі вважали і вчили своїх послідовників, що органічна хімія це наука про речовини, що утворюються за участю та під керівництвом якоїсь дивної «матерії» - життєвої сили. Але незабаром цю силу відправили на звалище природознавства. Синтези кількох органічних речовин – сечовини, оцтової кислоти, жирів, цукроподібних речовин – зробили її просто непотрібною.

З'явилося класичне визначення К. Шорлеммера, що не втратило сенсу і через 100 років: «Органічна хімія є хімія вуглеводнів та їх похідних, тобто продуктів, що утворюються при заміні водню іншими атомами або групами атомів».

Отже, органіка - це хімія навіть одного елемента, лише одного класу сполук цього елемента. Зате якого класу! Класу, що поділився не тільки на групи та підгрупи – на самостійні науки. З органіки вийшли, від органіки відбрунькувались біохімія, хімія синтетичних полімерів, хімія біологічно активних та лікарських сполук.

Зараз відомі мільйони органічних сполук (з'єднань вуглецю!) та близько ста тисяч сполук всіх інших елементів, разом узятих.

Загальновідомо, що на вуглецевій основі збудовано життя. Але чому саме вуглець - одинадцятий за поширеністю на Землі елемент - взяв на себе найважче завдання бути основою всього живого?

Відповідь це питання неоднозначний. По-перше, «в жодному з елементів такої здатності до ускладнення не розвинуто такою мірою, як у вуглеці». По-друге, вуглець здатний з'єднуватися з більшістю елементів, причому найрізноманітнішими способами. По-третє, зв'язок атомів вуглецю між собою, як і з атомами водню, кисню, азоту, сірки, фосфору та інших елементів, що входять до складу органічних речовин, може руйнуватися під впливом природних чинників. Тому вуглець безперервно кругообіг у природі: з атмосфери - в рослини, з рослин - в тваринні організми, з живого - в мертве,

з мертвого - на живе...

Чотири валентності атома вуглецю – як чотири руки. А якщо з'єдналися два такі атоми, то «рук» стає вже шість. Або – чотири, якщо на утворення пари витрачено по два електрони (подвійний зв'язок). Або - лише дві, якщо зв'язок, як в ацетилені, потрійний. Але ці зв'язки (їх називають ненасиченими) подібні до бомби в кишені або джину в пляшці. Вони приховані до певного часу, але в потрібний момент вириваються на волю, щоб взяти своє в бурхливій, азартній грі хімічних взаємодій та перетворень. Найрізноманітніші конструкції утворюються внаслідок цих «ігрищ», якщо в них бере участь вуглець. У редакції «Дитячої енциклопедії» підрахували, що з 20 атомів вуглецю та 42 атомів водню можна отримати 366 319 різних вуглеводнів, 366 319 речовин складу З 20 Н42. А якщо у «грі» не шість десятків учасників, а кілька тисяч; якщо серед них представники не двох команд, а, скажімо, восьми!

Де вуглець, там різноманіття. Де вуглецю, там складності. І найрізноманітніші за молекулярною архітектурою конструкції. Прості ланцюжки, як у бутані CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 3 або поліетилені -CH 2 -CH 2 -CH 2 - CH 2 -, і розгалужені структури найпростіша з них - ізобутан.

Розгляд особливостей будови атома вуглецю та її електронного стану є основним правильного розуміння теорії хімічної будови. Розглянемо спочатку положення вуглецю у періодичній системі (ПС). Для зручності характеристики елемента ПС можна використовувати наступний алгоритм:

Порядковий номерелемента (№) визначає його заряд ядра (зарядне число Z), отже, кількість протонів N$p^+$ (позначення протона - $p_1^+$) і загальна кількість електронів N$\bar(e)$ (позначення електрона - $\bar(e)$) в ядрі. Для вуглецю порядковий номер дорівнює 6, отже, ядро ​​атома вуглецю складається з 6 протонів та 6 електронів. Схематично це міркування можна записати так: №$ (C)=6 \Rightarrow Z = 6; \hspace(2pt)N\bar(e) = 6 $.

Атомна масаелемента, або масове число ізотопу (A)дорівнює сумі мас протонів і нейтронів (позначення нейтрону - $n_1^0$) в ядрі, отже, по різниці можна обчислити кількість нейтронів N. Для вуглецю атомна маса дорівнює 12 а.е.м., отже, кількість нейтронів в атомі вуглецю дорівнює 6.Схематична запис: $A(C) =12 \textrm(а.е.м.) \Rightarrow N =A-Z=12-6=6$.

Номер періоду,в якому знаходиться елемент у ПС, чисельно дорівнює головному (радіальному)квантовому числу nта визначає число енергетичних рівнів в атомі. Іноді зустрічається інше позначення головного квантового числа - $n_r$(за Зоммерфельдом). Вуглець знаходиться у другому періоді ПС, отже, має два енергетичні рівні, головне квантове число дорівнює 2. Схематична запис: № пров. = 2 => n = 2.

Номер групи, в якій розташований елемент ПС, відповідає числу електронів на зовнішньому енергетичному рівні. Вуглець розташований у IV групі головної підгрупи, отже, на зовнішньому енергетичному рівні має 4 електрони.Схематична запис: № грн. = IV => N$\bar(e)_\textrm(валентних)$ = 4.

Підсумовуючи, можна сказати, що в основному (незбудженому) станіна зовнішньому енергетичному рівні атома вуглецю знаходяться 4 валентні електрони, при цьому s-електрони утворюють електронну пару, і 2 р-електрони не спарені.

Для валентного електронного шару атома вуглецю головне квантове число n дорівнює 2, орбітальне квантове число l дорівнює 0, що відповідає s-орбіталі і 1 для р-орбіталей; магнітне квантове число m = -l, 0 + l; тобто m = 0 (при l = 0) та m = -1, 0, 1 (при l = 1).

Визначення

Атомною орбіталлю (АТ)називається графічне тривимірне зображення електронної щільності, тобто область простору, в якій ймовірність знаходження електрона є максимальною.

В органічних сполуках атом вуглецю завжди чотиривалентний, це означає, що в утворенні хімічного зв'язку беруть участь усі 4 валентні електрони. Але у освіті зв'язку беруть участь лише неспарені електрони! Щоб пояснити невідповідність між поняттям валентності та електронною будовою атома вуглецю, слід застосувати модель збудженого стану атома вуглецю $C^*$, що допускає перехід електрона з 2s-на 2р-підрівень:

В цьому випадку енергія, що витрачається на перехід електрона, компенсується енергією, що вивільняється при утворенні двох додаткових зв'язків. Однак така модель передбачає знаходження електрона на чотирьох «чистих» орбіталях – однієї s та трьох р.

Тоді в збудженому стані атома енергія s-орбіталі повинна бути меншою за енергію утворення р-орбіталей. Насправді, це не зовсім так. Як показують дослідження, енергія всіх чотирьох утворюються в результаті «перескоку» електрона орбіталей приблизно однакова, відповідно, і енергії утворення зв'язків у молекулі з однаковими гетероатомами (наприклад, атомами водню в метані) теж приблизно рівні, причому енергія кожної з орбіталей, що знову утворюються, більша, ніж енергія "чистої" s-орбіталі, але менше, ніж енергія "чистої" р-орбіталі.

Вуглець (С) - шостий елемент періодичної таблиці Менделєєва з атомною вагою 12. Елемент відноситься до неметал і має ізотоп 14 С. Будова атома вуглецю лежить в основі всієї органічної хімії, тому що всі органічні речовини включають молекули вуглецю.

Атом вуглецю

Положення вуглецю в періодичній таблиці Менделєєва:

• шостий порядковий номер;
• четверта група;
• другий період.

Рис. 1. Положення вуглецю у таблиці Менделєєва.

Спираючись на дані з таблиці, можна зробити висновок, що будова атома елемента вуглецю включає дві оболонки, на яких розташовано шість електронів. Валентність вуглецю, що входить до складу органічних речовин, постійна і дорівнює IV. Це означає, що у зовнішньому електронному рівні перебуває чотири електрони, але в внутрішньому - два.

З чотирьох електронів два займають сферичну 2s-орбіталь, а два - 2p-орбіталь у вигляді гантелі. У збудженому стані один електрон з 2s-орбіталі переходить на одну з 2p-орбіталей. При переході електрона з однієї орбіталі в іншу витрачається енергія.

Таким чином, збуджений атом вуглецю має чотири неспарені електрони. Його конфігурацію можна виразити формулою 2s 1 2p 3 . Це дає можливість утворювати чотири ковалентні зв'язки з іншими елементами. Наприклад, в молекулі метану (СН 4) вуглець утворює зв'язки з чотирма атомами водню - один зв'язок між s-орбіталями водню та вуглецю та три зв'язки між p-орбіталями вуглецю та s-орбіталями водню.

Схему будови атома вуглецю можна подати у вигляді запису +6C) 2) 4 або 1s 2 2s 2 2p 2 .

Рис. 2. Будова атома вуглецю.

Фізичні властивості

Вуглець зустрічається у природі як гірських порід. Відомо кілька алотропних модифікацій вуглецю:

• графіт;
• алмаз;
• карбін;
• вугілля;
• сажа.

Всі ці речовини відрізняються будовою кристалічних ґрат. Найбільш тверда речовина – алмаз – має кубічну форму вуглецю. При високих температурах алмаз перетворюється на графіт із гексагональною структурою.

Рис. 3. Кристалічні грати графіту та алмазу.

Хімічні властивості

Атомна будова вуглецю та його здатність приєднувати чотири атоми іншої речовини визначають хімічні властивості елемента. Вуглець реагує з металами, утворюючи карбіди:

• Са + 2С → СаС 2;
• Cr + C → CrC;
• 3Fe+C → Fe 3C.

Також реагує з оксидами металів:

• 2ZnO + C → 2Zn + CO2;
• PbO+C → Pb+CO;
• SnO 2+2C → Sn+2CO.

При високих температурах вуглець реагує з неметалами, зокрема воднем, утворюючи вуглеводні:

С + 2Н 2 → СН 4 .

З киснем вуглець утворює вуглекислий газ і чадний газ:

• С + Про 2 → СО 2;
• 2С + Про 2 → 2СО.

Чадний газ також утворюється при взаємодії із водою.

ВИЗНАЧЕННЯ

Вуглець- Шостий елемент Періодичної таблиці. Позначення – З від латинського «carboneum». Розташований у другому періоді, IVА групі. Належить до неметалів. Заряд ядра дорівнює 6.

Вуглець знаходиться у природі як у вільному стані, так і у вигляді численних сполук. Вільний вуглець зустрічається у вигляді алмазу та графіту. Крім викопного вугілля, у надрах Землі знаходяться великі скупчення нафти. У земній корі зустрічаються у величезних кількостях солі вугільної кислоти, особливо карбонат кальцію. У повітрі завжди є діоксид вуглецю. Нарешті, рослинні та тваринні організми складаються з речовин, в освіті яких участь бере вуглець. Таким чином, цей елемент - один із поширених на Землі, хоча загальний його вміст у земній корі становить лише близько 0,1% (мас.).

Атомна та молекулярна маса вуглецю

Відносна молекулярна маса речовини (M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента (A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.

Оскільки у вільному стані вуглець існує у вигляді одноатомних молекул, значення його атомної і молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 12,0064.

Алотропія та алотропні модифікації вуглецю

У вільному стані вуглець існує у вигляді алмазу, що кристалізується в кубічній та гексагональній (лонсдейліт) системі, та графіту, що належить до гексагональної системи (рис. 1). Такі форми вуглецю, як деревне вугілля, кокс або сажа мають невпорядковану структуру. Також є алотропні модифікації, отримані синтетичним шляхом - це карбін і полікумулен - різновиди вуглецю, побудовані з лінійних ланцюгових полімерів типу -C=C- або =C=C=.

Рис. 1. Алотропні модифікації вуглецю.

Відомі також алотропні модифікації вуглецю, що мають наступні назви: графен, фулерен, нанотрубки, нановолокна, астрален, скловуглерож, колосальні нанотрубки; аморфний вуглець, вуглецеві нанопочки та вуглецева нанопена.

Ізотопи вуглецю

У природі вуглець існує у вигляді двох стабільних ізотопів 12 С (98,98%) та 13 С (1,07%). Їхні масові числа рівні 12 і 13 відповідно. Ядро атома ізотопу вуглецю 12 С містить шість протонів і шість нейтронів, а ізотопу 13 С - таку кількість протонів і п'ять нейтронів.

Існує один штучний (радіоактивний) ізотоп вуглецю 14 С з періодом напіврозпаду рівним 5730 років.

Іони вуглецю

На зовнішньому енергетичному рівні атома вуглецю є чотири електрони, які є валентними:

1s 2 2s 2 2p 2 .

Через війну хімічної взаємодії вуглець може втрачати свої валентні електрони, тобто. бути їх донором, і перетворюватися на позитивно заряджені іони чи приймати електрони іншого атома, тобто. бути їх акцептором, і перетворюватися на негативно заряджені іони:

З 0 -2e → З 2+;

З 0 -4e → З 4+;

З 0 +4e → З 4-.

Молекула та атом вуглецю

У вільному стані вуглець існує у вигляді одноатомних молекул С. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом і молекулу вуглецю:

Сплави вуглецю

Найбільш відомі сплави вуглецю у всьому світі - це сталь та чавун. Сталь - це метал заліза з вуглецем, вміст вуглецю у якому перевищує 2%. У чавуні (теж метал заліза з вуглецем) вміст вуглецю вище - від 2-х до 4%.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання	Який обсяг оксиду вуглецю (IV) виділиться (н.у.) при випаленні 500 г вапняку, що містить 0,1 масову частку домішок.
Рішення	Запишемо рівняння реакції випалу вапняку: CaCO 3 = CaO + CO 2 -. Знайдемо масу чистого вапняку. Для цього спочатку визначимо його масову частку без домішок: w clear (CaCO 3) = 1 - w impurity = 1 - 0,1 = 0,9. m clear (CaCO 3) = m(CaCO 3) xw clear (CaCO 3); m clear (CaCO 3) = 500×0,9 = 450 г. Розрахуємо кількість речовини вапняку: n(CaCO 3) = m clear (CaCO 3) / M(CaCO 3); n(CaCO 3) = 450/100 = 4,5 моль. Відповідно до рівняння реакції n(CaCO 3) :n(CO 2) = 1:1, отже n(CaCO 3) = n(CO 2) = 4,5 моль. Тоді, обсяг оксиду вуглецю (IV), що виділився, буде дорівнює: V(CO2) = n(CO2) ×Vm; V(CO 2 ) = 4,5×22,4 = 100,8 л.
Відповідь	100,8 л

ПРИКЛАД 2

Завдання	Скільки потрібно розчину, що містить 0,05 масових часток, або 5% хлороводню, для нейтралізації 11,2 г карбонату кальцію?
Рішення	Запишемо рівняння реакції нейтралізації карбонату кальцію хлороводнем: CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O + CO 2 -. Знайдемо кількість речовини карбонату кальцію: M(CaCO 3) = A r (Ca) + A r (C) + 3×A r (O); M(CaCO 3) = 40 + 12 + 3×16 = 52 + 48 = 100 г/моль. n(CaCO3) = m(CaCO3)/M(CaCO3); n(CaCO 3) = 11,2/100 = 0,112 моль. Відповідно до рівняння реакції n(CaCO 3) :n(HCl) = 1:2, отже n(HCl) = 2×n(CaCO 3) = 2×0,224 моль. Визначимо масу речовини хлороводню, що міститься в розчині: M(HCl) = r (H) + r (Cl) = 1 + 35,5 = 36,5 г/моль. m(HCl) = n(HCl) ×M(HCl) = 0,224 × 36,5 = 8,176 р. Розрахуємо масу розчину хлороводню: m solution (HCl) = m(HCl)×100/w(HCl); m solution (HCl) = 8,176 × 100/5 = 163,52 р.
Відповідь	163,52 г

Характеристика елемента

6 З 1s 2 2s 2 2p 2

Ізотопи: 12 С (98,892%); 13 З (1,108%); 14 С (радіоактивний)

Кларк у земній корі 0,48% за масою. Форми знаходження:

у вільному вигляді (кам'яне вугілля, алмази);

у складі карбонатів (СаСО 3 , МgСО 3 та ін);

у складі горючих копалин (вугілля, нафту, газ);

у вигляді СО 2 - в атмосфері (0,03% за обсягом);

у Світовому океані - у вигляді аніонів НСO 3 -;

у складі живої матерії (-18% вуглецю).

Хімія сполук вуглецю - це, переважно, органічна хімія. В курсі неорганічної хімії вивчаються наступні С-вмісні речовини: вільний вуглець, оксиди (СО і С 2), вугільна кислота, карбонати та гідрокарбонати.

Вільний вуглець. Алотропія.

У вільному стані вуглець утворює 3 алотропні модифікації: алмаз, графіт і карбін, що штучно отримується. Ці видозміни вуглецю відрізняються кристалохімічною будовою та фізичними характеристиками.

Алмаз

У кристалі алмазу кожен атом вуглецю пов'язаний міцними ковалентними зв'язками з чотирма іншими, розміщеними навколо нього однакових відстанях.

Всі атоми вуглецю перебувають у стані sp 3 -гібридизації. Атомні кристалічні грати алмазу мають тетраедричну будову.

Алмаз - безбарвна, прозора речовина, що сильно заломлює світло. Відрізняється найбільшою твердістю серед усіх відомих речовин. Алмаз тендітний, тугоплавкий, погано проводить тепло та електричний струм. Невеликі відстані між сусідніми атомами вуглецю (0,154 нм) зумовлюють велику щільність алмазу (3,5 г/см 3 ).

Графіт

У кристалічній решітці графіту кожен атом вуглецю знаходиться в стані sp 2 -гібридизації і утворює три міцні ковалентні зв'язки з атомами вуглецю, розташованими в тому ж шарі. В утворенні цих зв'язків беруть участь по три електрони кожного атома, вуглецю, а четверті валентні електрони утворюють л-зв'язки і є відносно вільними (рухливими). Вони зумовлюють електро- та теплопровідність графіту.

Довжина ковалентного зв'язку між сусідніми атомами вуглецю в одній площині дорівнює 0,152 нм, а відстань між атомами в різних шарах більше в 2,5 рази, тому зв'язки між ними слабкі.

Графіт - непрозора, м'яка, жирна на дотик речовина сіро-чорного кольору з металевим блиском; добре проводить тепло та електричний струм. Графіт має меншу щільність у порівнянні з алмазом, легко розщеплюється на тонкі лусочки.

Розупорядкована структура дрібнокристалічного графіту лежить в основі будови різних форм аморфного вуглецю, найважливішими з яких є кокс, буре та кам'яне вугілля, сажа, активоване (активне) вугілля.

Карбін

Цю алотропну модифікацію вуглецю одержують каталітичним окисненням (дегідрополіконденсацією) ацетилену. Карбін - ланцюжковий полімер, що має дві форми:

С=С-С=С-... та...=С=С=С=

Карбін має напівпровідникові властивості.

Хімічні властивості вуглецю

При звичайній температурі обидві модифікації вуглецю (алмаз та графіт) хімічно інертні. Дрібнокристалічні форми графіту – кокс, сажа, активоване вугілля – більш реакційноздатні, але, як правило, після їх попереднього нагрівання до високої температури.

С – активний відновник:

1. Взаємодія із киснем

З + O 2 = З O 2 + 393,5 кДж (надлишку O 2)

2С + O 2 = 2СО + 221 кДж (при нестачі O 2)

Спалювання вугілля - одне з найважливіших джерел енергії.

2. Взаємодія з фтором та сіркою.

З + 2F 2 = CF 4 тетрафторид вуглецю

З + 2S = CS 2 сірковуглець

3. Кокс - одне з найважливіших відновників, що у промисловості. У металургії з його допомогою одержують метали з оксидів, наприклад:

ЗС + Fe 2 O 3 = 2Fe + ЗСО

З + ZnO = Zn + СО

4. При взаємодії вуглецю з оксидами лужних та лужноземельних металів відновлений метал, з'єднуючись із вуглецем, утворює карбід. Наприклад: ЗС + СаО = СаС 2 + СО карбід кальцію

5. Кокс застосовується також для одержання кремнію:

2С + SiO 2 = Si + 2СО

6. При надлишку коксу утворюється карбід кремнію (карборунд) SiC.

Отримання «водяного газу» (газифікація твердого палива)

Пропусканням водяної пари через розпечене вугілля отримують горючу суміш СО і Н 2 , звану водяним газом:

З + Н 2 О = СО + Н 2

7. Реакції з окислюючими кислотами.

Активоване або деревне вугілля при нагріванні відновлює аніони NO 3 - і SO 4 2 з концентрованих кислот:

З + 4HNO 3 = З 2 + 4NO 2 + 2Н 2

З + 2H 2 SO 4 = ЗO 2 + 2SO 2 + 2Н 2 О

8. Реакції з розплавленими нітратами лужних металів

У розплавах KNO 3 і NaNO 3 подрібнене вугілля інтенсивно згоряє з утворенням сліпучого полум'я:

5С + 4KNO 3 = 2К 2 СО 3 + ЗСО 2 + 2N 2

С - малоактивний окисник:

1. Утворення солеподібних карбідів з активними металами.

Значне послаблення неметалічних властивостей у вуглецю виявляється у тому, що його як окислювача виявляються значно меншою мірою, ніж відновлювальні функції.

2. Тільки в реакціях з активними металами атоми вуглецю переходять у негативно заряджені іони С -4 і (С=С) 2- утворюючи солеподібні карбіди:

ЗС + 4Al = Аl 4 З 3 карбід алюмінію

2С + Са = СаС 2 карбід кальцію

3. Карбіди іонного типу - дуже нестійкі сполуки, вони легко розкладаються під дією кислот та води, що свідчить про нестійкість негативно заряджених аніонів вуглецю:

Аl 4 З 3 + 12Н 2 О = ЗСН 4 + 4Аl(ОН) 3

СаС 2 + 2Н 2 О = С 2 Н 2 + Са(ОН) 2

4. Утворення ковалентних з'єднань із металами

У розплавах сумішей вуглецю з перехідними металами утворюються карбіди переважно з ковалентним типом зв'язку. Молекули їх мають змінний склад, а речовини загалом близькі до металів. Такі карбіди відрізняються високою стійкістю, вони хімічно інертні по відношенню до води, кислот, лугів та багатьох інших реагентів.

5. Взаємодія із воднем

При високих Т і Р у присутності нікелевого каталізатора, вуглець з'єднується з воднем:

С + 2НН 2 → СНН 4

Реакція дуже оборотна і не має практичного значення.