Положение в периодической системе, строение атома, нахождение в природе

Порядковый номер углерода $6$ , он находится во 2-м периоде, в главной подгруппе IV группы. Электронная формула $1s^2 2s^2 2p^2$ , на внешнем уровне $4$ электрона. В возбуждённом состоянии один $2s$ -электрон переходит на $2p$ -подуровень ( $2s^1 2p^3$ ), поэтому в соединениях углерод обычно четырёхвалентен. Основные степени окисления: $-4$ ( $\mathrm{CH_4}$ , $\mathrm{Al_4C_3}$ ), $0$ , $+2$ ( $\mathrm{CO}$ ), $+4$ ( $\mathrm{CO_2}$ , карбонаты).

В свободном виде углерод встречается в природе как алмаз и графит. В виде соединений он входит в состав карбонатов (известняк, мел и мрамор $\mathrm{CaCO_3}$ , магнезит $\mathrm{MgCO_3}$ , доломит $\mathrm{CaCO_3 \cdot MgCO_3}$ ), каменного угля, нефти, природного газа, воздуха ( $\mathrm{CO_2}$ ) и всех живых организмов.

Аллотропные видоизменения

Алмаз: каждый атом связан с $4$ соседними по вершинам тетраэдра ( $sp^3$ ), образуется атомная кристаллическая решётка. Самое твёрдое природное вещество, бесцветное и прозрачное, не проводит электрический ток. Применяется в стеклорезах и буровых инструментах, огранённый алмаз называют бриллиантом.
Графит: атомы образуют слои из шестиугольников ( $sp^2$ ), связь между слоями слабая. Серо-чёрное мягкое вещество с металлическим блеском, проводит электрический ток. Из него делают электроды, грифели карандашей, смазочные материалы.
Карбин (линейные цепочки, $sp$ ) и фуллерены (шарообразные молекулы $\mathrm{C_{60}}$ , $\mathrm{C_{70}}$ ) открыты позже.

Сажу, древесный уголь и кокс называют аморфным углеродом, на самом деле это мелкие кристаллики графита. Древесный и активированный уголь пористые, поэтому удерживают на своей поверхности газы и растворённые вещества. Это явление называется адсорбцией (противогазы, очистка воды). Все аллотропы при сгорании в кислороде дают только $\mathrm{CO_2}$ , что доказывает: они состоят из одного элемента.

Химические свойства углерода

При обычных условиях углерод инертен, при нагревании становится активным. В большинстве реакций он восстановитель:

с кислородом: $\mathrm{C + O_2 \rightarrow CO_2}$ (в избытке кислорода), $\mathrm{2C + O_2 \rightarrow 2CO}$ (при недостатке кислорода);
с оксидами металлов: $\mathrm{ZnO + C \xrightarrow{t} Zn + CO}$ , $\mathrm{2CuO + C \xrightarrow{t} 2Cu + CO_2}$ ;
с водяным паром: $\mathrm{C + H_2O \xrightarrow{t} CO + H_2}$ (водяной газ);
с концентрированными кислотами: $\mathrm{C + 2H_2SO_4 \rightarrow CO_2 + 2SO_2 + 2H_2O}$ , $\mathrm{C + 4HNO_3 \rightarrow CO_2 + 4NO_2 + 2H_2O}$ .

С водородом и металлами углерод окислитель: $\mathrm{C + 2H_2 \xrightarrow{t,\ \text{кат.}} CH_4}$ , $\mathrm{4Al + 3C \xrightarrow{t} Al_4C_3}$ , $\mathrm{Ca + 2C \xrightarrow{t} CaC_2}$ .

Угарный и углекислый газ

Монооксид углерода $\mathrm{CO}$ (угарный газ) — бесцветный, без запаха, очень ядовитый газ: прочно связывается с гемоглобином и мешает крови переносить кислород. Немного легче воздуха ( $M = 28$ ), плохо растворим в воде. Это несолеобразующий оксид: при обычных условиях с водой, кислотами и щелочами не реагирует.

В лаборатории: $\mathrm{HCOOH \xrightarrow{H_2SO_4\ (\text{конц.}),\ t} CO\uparrow + H_2O}$ ; в промышленности $\mathrm{CO_2}$ пропускают через раскалённый кокс: $\mathrm{CO_2 + C \xrightarrow{t} 2CO}$ .
Горит голубым пламенем: $\mathrm{2CO + O_2 \rightarrow 2CO_2}$ . Сильный восстановитель: $\mathrm{Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t} 2Fe + 3CO_2}$ . Также $\mathrm{CO + Cl_2 \rightarrow COCl_2}$ (фосген), $\mathrm{CO + 2H_2 \xrightarrow{t,\ p,\ \text{кат.}} CH_3OH}$ .
Применение: газообразное топливо, восстановитель в металлургии, синтез метанола.

Диоксид углерода $\mathrm{CO_2}$ (углекислый газ) — бесцветный газ без запаха, примерно в $1{,}5$ раза тяжелее воздуха ( $\frac{44}{29} \approx 1{,}52$ ). Горение не поддерживает, но магний в нём горит: $\mathrm{2Mg + CO_2 \rightarrow 2MgO + C}$ . Под давлением легко сжижается, твёрдый $\mathrm{CO_2}$ называют «сухим льдом». Кислотный оксид.

В лаборатории (в аппарате Киппа): $\mathrm{CaCO_3 + 2HCl \rightarrow CaCl_2 + CO_2\uparrow + H_2O}$ ; в промышленности обжигают известняк: $\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2}$ .
Свойства: $\mathrm{CO_2 + H_2O \rightleftarrows H_2CO_3}$ , $\mathrm{CaO + CO_2 \rightarrow CaCO_3}$ ; при избытке щёлочи $\mathrm{CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O}$ , при избытке $\mathrm{CO_2}$ : $\mathrm{CO_2 + NaOH \rightarrow NaHCO_3}$ .
Применение: огнетушители, газированные напитки, охлаждение сухим льдом, производство соды и карбамида.

Угольная кислота, её соли и качественные реакции

$\mathrm{H_2CO_3}$ — слабая неустойчивая двухосновная кислота, существует только в растворе и легко распадается на $\mathrm{CO_2}$ и воду. Диссоциирует ступенчато: $\mathrm{H_2CO_3 \rightleftarrows H^+ + HCO_3^-}$ , $\mathrm{HCO_3^- \rightleftarrows H^+ + CO_3^{2-}}$ . Образует два ряда солей: карбонаты ( $\mathrm{Na_2CO_3}$ кальцинированная сода, $\mathrm{K_2CO_3}$ поташ, $\mathrm{CaCO_3}$ ) и гидрокарбонаты ( $\mathrm{NaHCO_3}$ питьевая сода, $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$ ). Карбонаты натрия, калия и аммония хорошо растворимы в воде, большинство остальных карбонатов практически нерастворимы.

При нагревании: $\mathrm{CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2}$ , $\mathrm{2NaHCO_3 \rightarrow Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O}$ , $\mathrm{Ca(HCO_3)_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + CO_2 + H_2O}$ ; а $\mathrm{Na_2CO_3}$ и $\mathrm{K_2CO_3}$ плавятся без разложения. Соли переходят друг в друга: $\mathrm{Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow 2NaHCO_3}$ , $\mathrm{NaHCO_3 + NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O}$ .

Качественные реакции. При пропускании $\mathrm{CO_2}$ через известковую воду появляется белая муть: $\mathrm{Ca(OH)_2 + CO_2 \rightarrow CaCO_3\downarrow + H_2O}$ . При избытке $\mathrm{CO_2}$ муть исчезает: $\mathrm{CaCO_3 + CO_2 + H_2O \rightarrow Ca(HCO_3)_2}$ . При добавлении сильной кислоты к карбонату наблюдается «вскипание»: выделяется бесцветный газ без запаха, который мутит известковую воду: $\mathrm{CO_3^{2-} + 2H^+ \rightarrow CO_2\uparrow + H_2O}$ .

Запомните

$1s^2 2s^2 2p^2$ ; степени окисления $-4$ , $0$ , $+2$ , $+4$ ; в соединениях углерод обычно четырёхвалентен.
Алмаз ( $sp^3$ ) — самое твёрдое вещество и не проводит ток; графит ( $sp^2$ ) — мягкий и проводит ток.
$\mathrm{CO}$ — несолеобразующий ядовитый оксид и восстановитель; $\mathrm{CO_2}$ — кислотный оксид, горение не поддерживает.
При $n(\mathrm{NaOH}) : n(\mathrm{CO_2}) = 2 : 1$ образуется $\mathrm{Na_2CO_3}$ , при $1 : 1$ $\mathrm{NaHCO_3}$ , при промежуточном отношении обе соли.
$\mathrm{CO_2}$ обнаруживают известковой водой, карбонат-ион действием сильной кислоты.

Разобранные примеры

Пример 1
$250$ г известняка, содержащего $80\%$ $\mathrm{CaCO_3}$ по массе, полностью обожгли (примеси не разлагаются). Найдите объём выделившегося $\mathrm{CO_2}$ (н. у.) и массу полученной негашёной извести. ( $A_r$ : Ca $40$ , C $12$ , O $16$ )
Решение
1. Уравнение: $\mathrm{CaCO_3 \xrightarrow{t} CaO + CO_2}$ .
2. $m(\mathrm{CaCO_3}) = 250 \cdot 0{,}8 = 200$ г; $M(\mathrm{CaCO_3}) = 100$ г/моль, $n = \frac{200}{100} = 2$ моль.
3. Все коэффициенты равны $1$ : $n(\mathrm{CO_2}) = n(\mathrm{CaO}) = 2$ моль.
4. $V(\mathrm{CO_2}) = 2 \cdot 22{,}4 = 44{,}8$ л; $m(\mathrm{CaO}) = 2 \cdot 56 = 112$ г.
5. Проверка: $112 + 2 \cdot 44 = 200$ г, масса сохраняется.
Ответ: $44{,}8$ л; $112$ г.
Пример 2
$4{,}48$ л (н. у.) $\mathrm{CO_2}$ пропустили через раствор, содержащий $12$ г $\mathrm{NaOH}$ . Какие соли и какой массы образовались? ( $A_r$ : Na $23$ , O $16$ , H $1$ , C $12$ )
Решение
1. $n(\mathrm{CO_2}) = \frac{4{,}48}{22{,}4} = 0{,}2$ моль; $n(\mathrm{NaOH}) = \frac{12}{40} = 0{,}3$ моль.
2. Отношение $\frac{0{,}3}{0{,}2} = 1{,}5$ лежит между $1$ и $2$ , значит, образуются обе соли.
3. Пусть $x$ моль $\mathrm{Na_2CO_3}$ и $y$ моль $\mathrm{NaHCO_3}$ . По углероду $x + y = 0{,}2$ , по натрию $2x + y = 0{,}3$ . Вычитаем: $x = 0{,}1$ , тогда $y = 0{,}1$ .
4. $m(\mathrm{Na_2CO_3}) = 0{,}1 \cdot 106 = 10{,}6$ г; $m(\mathrm{NaHCO_3}) = 0{,}1 \cdot 84 = 8{,}4$ г.
Ответ: $10{,}6$ г $\mathrm{Na_2CO_3}$ и $8{,}4$ г $\mathrm{NaHCO_3}$ .

Проверьте себя

Сначала решите сами, потом откройте ответ.

В каком соединении степень окисления углерода равна $-4$ ?
1. $\mathrm{CO_2}$
2. $\mathrm{CaC_2}$
3. $\mathrm{Al_4C_3}$
4. $\mathrm{CO}$
5. $\mathrm{Na_2CO_3}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: C $\mathrm{Al_4C_3}$
В $\mathrm{Al_4C_3}$ четыре атома алюминия дают заряд $4 \cdot (+3) = +12$ , значит, три атома углерода вместе имеют $-12$ , то есть каждый $-4$ . В $\mathrm{CaC_2}$ углерод $-1$ , в $\mathrm{CO}$ $+2$ , в $\mathrm{CO_2}$ и $\mathrm{Na_2CO_3}$ $+4$ .
$21$ г гидрокарбоната натрия нагревали до полного разложения. Какой объём углекислого газа (н. у.) выделился? ( $A_r$ : Na $23$ , H $1$ , C $12$ , O $16$ )
1. $5{,}6$ л
2. $2{,}8$ л
3. $1{,}4$ л
4. $11{,}2$ л
5. $4{,}48$ л
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: B $2{,}8$ л
$\mathrm{2NaHCO_3 \xrightarrow{t} Na_2CO_3 + CO_2 + H_2O}$ . $M(\mathrm{NaHCO_3}) = 84$ г/моль, $n = \frac{21}{84} = 0{,}25$ моль. По уравнению $n(\mathrm{CO_2}) = \frac{0{,}25}{2} = 0{,}125$ моль, $V = 0{,}125 \cdot 22{,}4 = 2{,}8$ л.
С помощью какого реактива можно различить растворы $\mathrm{Na_2CO_3}$ и $\mathrm{Na_2SO_4}$ ?
1. $\mathrm{BaCl_2}$
2. $\mathrm{NaOH}$
3. $\mathrm{KNO_3}$
4. $\mathrm{HCl}$
5. $\mathrm{NaCl}$
Показать ответСкрыть ответ
Правильный ответ: D $\mathrm{HCl}$
Соляная кислота с карбонатом даёт газ: $\mathrm{Na_2CO_3 + 2HCl \rightarrow 2NaCl + CO_2\uparrow + H_2O}$ , а в растворе сульфата изменений нет. $\mathrm{BaCl_2}$ даёт белый осадок в обоих растворах ( $\mathrm{BaCO_3}$ и $\mathrm{BaSO_4}$ ), а $\mathrm{NaOH}$ , $\mathrm{KNO_3}$ и $\mathrm{NaCl}$ видимых изменений не вызывают ни в одном.

Типичные ошибки

Считать $\mathrm{CO}$ кислотным оксидом: это несолеобразующий оксид, при обычных условиях с водой и щёлочью солей не даёт.
Забывать, что при избытке $\mathrm{CO_2}$ муть известковой воды исчезает: образуется растворимый $\mathrm{Ca(HCO_3)_2}$ .
В задачах на $\mathrm{CO_2}$ и щёлочь всегда писать $\mathrm{Na_2CO_3}$ , не проверив отношение количеств веществ; а также думать, что $\mathrm{Na_2CO_3}$ разлагается при нагревании, как $\mathrm{NaHCO_3}$ .

Всё ещё не до конца понятно?

Объяснит тему голосом, как на уроке, запишет всё на доске и проверит вопросами.

Изучить с Живым репетитором Решить задачу по фото