KEMIJSKA SVOJSTVA UGLJIKA

Ugljik je neaktivan i na hladnom reagira samo s fluorom; kemijska aktivnost javlja se na visokim temperaturama.

Podsjetnik! "Kemijska svojstva"

Adsorpcija

Obrnuti proces je oslobađanje tih apsorbiranih tvari – desorpcija.

Primjena adsorpcije

Pročišćavanje od nečistoća (u proizvodnji šećera i sl.), za zaštitu dišnih organa (gas maske), u medicini (karbolen tablete) itd.

Primjena ugljika

Dijamanti se široko koriste za rezanje stijena i brušenje posebno tvrdih materijala. Prilikom brušenja dijamanti se koriste za izradu nakita. Grafit se koristi za izradu inertnih elektroda i ivica za olovke. Miješa se s tehničkim uljima kao mazivo. Lonci za topljenje izrađuju se od mješavine grafita i gline. Grafit se koristi u nuklearnoj industriji kao apsorber neutrona.

Koks se koristi u metalurgiji kao redukcijsko sredstvo. Drveni ugljen - u kovačnicama, za proizvodnju baruta (75% KNO 3 + 13% C + 12% S), za upijanje plinova (adsorpcija), a također i u svakodnevnom životu. Čađa se koristi kao punilo gume, za proizvodnju crnih boja - tiskarske boje i tinte, kao i u suhim galvanskim ćelijama. Staklasti ugljik koristi se za izradu opreme za visokoagresivna okruženja, kao iu zrakoplovstvu i astronautici.

Aktivni ugljen upija štetne tvari iz plinova i tekućina: njime se pune plinske maske, sustavi za pročišćavanje, koristi se u medicini za trovanje.

DRVENI UGLJEN

Drveni ugljen- mikroporozni visokougljični proizvod nastao razgradnjom drva bez pristupa zraka. Koristi se u proizvodnji kristalnog silicija, ugljikovog disulfida, željeznih i obojenih metala, aktivnog ugljena itd., kao i kao gorivo za kućanstvo (specifična toplina izgaranja 31,5-34 MJ/kg).

ZADACI ZADATAKA

broj 1. Dovršite jednadžbe reakcija, napravite ravnotežu elektrona i navedite oksidacijsko i redukcijsko sredstvo za svaku reakciju:

C+O2 (g) =

C+O 2 (nedovoljno) =

C + H2 =

C + Ca =

C + Al =

Ugljik je možda jedan od najimpresivnijih elemenata kemije na našem planetu, koji ima jedinstvenu sposobnost stvaranja velikog broja različitih organskih i anorganskih veza.

Jednom riječju, spojevi ugljika koji imaju jedinstvene karakteristike temelj su života na našem planetu.

Što je ugljik

U kemijskoj tablici D.I. Mendeljejevljev ugljik je broj šest, pripada grupi 14 i označen je "C".

Fizička svojstva

To je vodikov spoj koji pripada skupini bioloških molekula, molarna masa i molekulska masa mu je 12,011, a talište je 3550 stupnjeva.

Oksidacijski stupanj pojedinog elementa može biti: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4, a gustoća 2,25 g/cm3.

U agregatnom stanju ugljik je krutina, a kristalna rešetka je atomska.

Ugljik ima sljedeće alotropske modifikacije:

• grafit;
• fuleren;
• karabin

Struktura atoma

Atom tvari ima elektroničku konfiguraciju oblika - 1S 2 2S 2 2P 2. Na vanjskoj razini, atom ima 4 elektrona smještena u dvije različite orbitale.

Ako uzmemo pobuđeno stanje elementa, tada njegova konfiguracija postaje 1S 2 2S 1 2P 3.

Osim toga, atom tvari može biti primarni, sekundarni, tercijarni i kvaternarni.

Kemijska svojstva

Budući da je u normalnim uvjetima, element je inertan i stupa u interakciju s metalima i nemetalima na povišenim temperaturama:

• u interakciji s metalima, što rezultira stvaranjem karbida;
• reagira s fluorom (halogen);
• na povišenim temperaturama stupa u interakciju s vodikom i sumporom;
• kada temperatura raste, osigurava redukciju metala i nemetala iz oksida;
• na 1000 stupnjeva stupa u interakciju s vodom;
• svijetli kada temperatura poraste.

Proizvodnja ugljika

Ugljik se u prirodi može naći u obliku crnog grafita ili, vrlo rijetko, u obliku dijamanta. Neprirodni grafit nastaje reakcijom koksa i silicija.

Neprirodni dijamanti se proizvode primjenom topline i pritiska zajedno s katalizatorima. Time se topi metal, a dobiveni dijamant izlazi kao talog.

Dodavanje dušika daje žućkaste dijamante, dok dodavanje bora daje plavkaste dijamante.

Povijest otkrića

Ugljik su ljudi koristili od davnina. Grci su poznavali grafit i ugljen, a dijamanti su prvi put pronađeni u Indiji. Usput, ljudi su često uzimali slične spojeve kao grafit. Ali čak i unatoč tome, grafit se naširoko koristio za pisanje, jer se čak i riječ "grapho" s grčkog prevodi kao "pišem".

Trenutno se grafit također koristi u pisanju, posebno se može naći u olovkama. Početkom 18. stoljeća u Brazilu je započela trgovina dijamantima, otkrivena su mnoga nalazišta, a već u drugoj polovici 20. stoljeća ljudi su naučili dobivati ​​neprirodno drago kamenje.

Trenutno se neprirodni dijamanti koriste u industriji, a pravi dijamanti koriste se u nakitu.

Uloga ugljika u ljudskom tijelu

Ugljik ulazi u ljudsko tijelo s hranom, 300 g dnevno, a ukupna količina tvari u ljudskom tijelu iznosi 21% tjelesne težine.

Ovaj element sastoji se od 2/3 mišića i 1/3 kostiju. I plin se uklanja iz tijela zajedno s izdahnutim zrakom ili s ureom.

Vrijedno pažnje: Bez ove tvari život na Zemlji je nemoguć, jer ugljik stvara veze koje pomažu tijelu u borbi protiv destruktivnog utjecaja okolnog svijeta.

Dakle, element je sposoban formirati duge lance ili prstenove atoma, koji pružaju osnovu za mnoge druge važne veze.

Pojava ugljika u prirodi

Element i njegovi spojevi mogu se naći posvuda. Prije svega, napominjemo da tvar čini 0,032% ukupne količine zemljine kore.

U ugljenu se može naći samo jedan element. I kristalni element se nalazi u alotropskim modifikacijama. Također, količina ugljičnog dioksida u zraku je u stalnom porastu.

Velike koncentracije elementa u okolišu mogu se naći kao spojevi s različitim elementima. Na primjer, ugljikov dioksid je sadržan u zraku u količini od 0,03%. Minerali poput vapnenca ili mramora sadrže karbonate.

Svi živi organizmi sadrže spojeve ugljika s drugim elementima. Osim toga, ostaci živih organizama postaju naslage poput nafte i bitumena.

Primjena ugljika

Spojevi ovog elementa naširoko se koriste u svim područjima našeg života i njihov popis može biti beskrajan, pa ćemo navesti neke od njih:

• grafit se koristi u olovkama i elektrodama;
• dijamanti se široko koriste u nakitu i bušenju;
• ugljik se koristi kao redukcijsko sredstvo za uklanjanje elemenata poput željezne rude i silicija;
• aktivni ugljen, koji se uglavnom sastoji od ovog elementa, naširoko se koristi u medicini, industriji i svakodnevnom životu.

Organski život na Zemlji predstavljen je ugljikovim spojevima. Element je dio glavnih komponenti staničnih struktura: proteina, ugljikohidrata i masti, a također čini osnovu tvari nasljedstva - deoksiribonukleinske kiseline. U anorganskoj prirodi ugljik je jedan od najčešćih elemenata koji tvore zemljinu koru i atmosferu planeta. Organska kemija, kao grana kemijske znanosti, u potpunosti je posvećena svojstvima kemijskog elementa ugljika i njegovih spojeva. Naš članak će razmotriti fizikalne i kemijske karakteristike ugljika i značajke njegovih svojstava.

Mjesto elementa u periodnom sustavu Mendeljejeva

Podskupina ugljika glavna je podskupina IV skupine u koju osim ugljika spadaju i silicij, germanij, kositar i olovo. Svi ovi elementi imaju istu strukturu vanjske energetske razine na kojoj se nalaze četiri elektrona. To određuje sličnost njihovih kemijskih svojstava. U normalnom stanju, elementi podskupine su dvovalentni, a kada njihovi atomi prijeđu u pobuđeno stanje, pokazuju valenciju 4. Fizička i kemijska svojstva ugljika ovise o stanju elektroničkih ljuski njegovog atoma. Tako u reakciji s kisikom element čije su čestice u nepobuđenom stanju stvara indiferentni oksid CO. Atomi ugljika u pobuđenom stanju oksidiraju se u ugljični dioksid, koji pokazuje kisela svojstva.

Oblici ugljika u prirodi

Dijamant, grafit i karbin tri su alotropske modifikacije ugljika kao jednostavne tvari. Prozirni kristali s visokim stupnjem loma svjetlosnih zraka, koji su najtvrđi spojevi u prirodi, su dijamanti. Slabo provode toplinu i dielektrici su. Kristalna rešetka je atomska, vrlo jaka. U njemu je svaki atom elementa okružen s četiri druge čestice, tvoreći pravilan tetraedar.

Potpuno drugačija fizikalna i kemijska svojstva ugljika koji tvori grafit. To je tamno siva kristalna tvar koja je masna na dodir. Ima slojevitu strukturu, razmaci između slojeva atoma su dosta veliki, dok su njihove privlačne sile slabe. Stoga se pri pritisku na grafitnu šipku tvar ljušti u tanke ljuskice. Ostavljaju tamni trag na papiru. Grafit je toplinski vodljiv i nešto slabiji od metala u električnoj vodljivosti.

Sposobnost provođenja električne struje objašnjava se strukturom kristala tvari. U njemu su čestice ugljika povezane s tri druge pomoću jakih kovalentnih kemijskih veza. Četvrti valentni elektron svakog atoma ostaje slobodan i može se kretati kroz tvar. Usmjereno kretanje negativno nabijenih čestica uzrokuje pojavu električne struje. Područja primjene grafita su raznolika. Tako se koristi za izradu elektroda u elektrotehnici i za provođenje procesa elektrolize, kojom se primjerice dobivaju alkalijski metali u čistom obliku. Grafit je pronašao primjenu u nuklearnim reaktorima za kontrolu brzine lančanih reakcija koje se u njima odvijaju kao moderator neutrona. Poznato je da se tvar koristi kao šipke ili mazivo u trljajućim dijelovima mehanizama.

Što je karbin?

Crni kristalni prah sa staklastim sjajem je karabin. Sintetiziran je sredinom 20. stoljeća u Rusiji. Tvar je superiornija od grafita u tvrdoći, kemijski pasivna, ima svojstva poluvodiča i najstabilnija je modifikacija ugljika. Veza je jača od grafita. Postoje i oblici ugljika čija se kemijska svojstva međusobno razlikuju. To su čađa, drveni ugljen i koks.

Različita svojstva alotropskih modifikacija ugljika objašnjavaju se strukturom njihovih kristalnih rešetki. To je vatrostalna tvar, bez boje i mirisa. Netopljiv je u organskim otapalima, ali je sposoban stvarati čvrste otopine - legure, na primjer, sa željezom.

Kemijska svojstva ugljika

Ovisno o tvari s kojom ugljik reagira, može pokazivati ​​dvojaka svojstva: i redukcijsko sredstvo i oksidacijsko sredstvo. Na primjer, spajanjem koksa s metalima dobivaju se njihovi spojevi - karbidi. Reakcijom s vodikom nastaju ugljikovodici. To su organski spojevi, na primjer, metan, etilen, acetilen, u kojima, kao iu slučaju metala, ugljik ima oksidacijsko stanje -4. Redukcijske kemijske reakcije ugljika, čija svojstva proučavamo, javljaju se tijekom njegove interakcije s kisikom, halogenima, vodom i bazičnim oksidima.

Ugljikovi oksidi

Izgaranjem ugljena na zraku s niskim udjelom kisika nastaje ugljikov monoksid - dvovalentni ugljikov oksid. Bezbojan je, bez mirisa i vrlo otrovan. Kombinirajući se s hemoglobinom u krvi tijekom disanja, ugljični monoksid se širi ljudskim tijelom, uzrokujući trovanje, a zatim i smrt od gušenja. U klasifikaciji tvar zauzima mjesto indiferentnih oksida, ne reagira s vodom i ne odgovara niti bazi niti kiselini. Kemijska svojstva ugljika, koji ima valenciju 4, razlikuju se od prethodno razmatranih karakteristika.

Ugljični dioksid

Bezbojna plinovita tvar pri temperaturi od 15 i tlaku od jedne atmosfere prelazi u čvrstu fazu. Zove se suhi led. Molekule CO 2 su nepolarne, iako je kovalentna veza između atoma kisika i ugljika polarna. Spoj pripada kiselinskim oksidima. U interakciji s vodom nastaje karbonatna kiselina. Poznate su reakcije između ugljičnog dioksida i jednostavnih tvari: metala i nemetala, na primjer, magnezija, kalcija ili koksa. U njima igra ulogu oksidacijskog sredstva.

Kvalitativna reakcija na ugljikov dioksid

Kako bismo bili sigurni da je plin koji se proučava doista ugljični monoksid CO 2, u anorganskoj kemiji provodi se sljedeći eksperiment: tvar se propusti kroz bistru otopinu vapnene vode. Promatranje zamućenja otopine zbog taloženja bijelog taloga kalcijevog karbonata potvrđuje prisutnost molekula ugljičnog dioksida u smjesi reagensa. Kada se plin dalje propušta kroz otopinu kalcijevog hidroksida, talog CaCO 3 se otapa zbog njegove transformacije u kalcijev bikarbonat, sol topljivu u vodi.

Uloga ugljika u procesu visoke peći

Kemijska svojstva ugljika koriste se u industrijskoj proizvodnji željeza iz njegovih ruda: magnetske, crvene ili smeđe željezne rude. Glavni među njima bit će redukcijska svojstva ugljika i oksida - ugljični dioksid i ugljični dioksid. Procesi koji se odvijaju u visokoj peći mogu se prikazati kao sljedeći slijed reakcija:

• Prvo koks izgara u struji zraka zagrijanom na 1850 °C uz stvaranje ugljičnog dioksida: C + O 2 = CO 2.
• Prolazeći kroz vrući ugljik, reducira se u ugljikov monoksid: CO 2 + C = 2CO.
• Ugljični monoksid reagira sa željeznom rudom, pri čemu nastaje željezni oksid: 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2, Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2.
• Reakcija za proizvodnju željeza će imati sljedeći oblik: FeO + CO = Fe + CO 2

Rastaljeno željezo otapa smjesu ugljika i ugljičnog monoksida, pri čemu nastaje tvar - cementit.

Lijevano željezo taljeno u visokoj peći, osim željeza, sadrži do 4,5% ugljika i druge nečistoće: mangan, fosfor, sumpor. Čelik, koji se razlikuje od lijevanog željeza na više načina, kao što je njegova sposobnost valjanja i kovanja, sadrži samo 0,3 do 1,7% ugljika. Proizvodi od čelika naširoko se koriste u gotovo svim industrijama: strojarstvo, metalurgija, medicina.

U našem smo članku saznali koja se kemijska svojstva ugljika i njegovih spojeva koriste u različitim područjima ljudske djelatnosti.

• Oznaka - C (ugljik);
• Razdoblje - II;
• Grupa - 14 (IVa);
• Atomska masa - 12,011;
• Atomski broj - 6;
• Atomski polumjer = 77 pm;
• Kovalentni polumjer = 77 pm;
• Distribucija elektrona - 1s 2 2s 2 2p 2 ;
• temperatura taljenja = 3550°C;
• vrelište = 4827°C;
• Elektronegativnost (prema Paulingu/prema Alpredu i Rochowu) = 2,55/2,50;
• Oksidacijsko stanje: +4, +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3, -4;
• Gustoća (br.) = 2,25 g/cm 3 (grafit);
• Molarni volumen = 5,3 cm3/mol.

Ugljik u obliku drvenog ugljena poznat je čovjeku od pamtivijeka, stoga nema smisla govoriti o datumu njegovog otkrića. Naime, "ugljik" je svoje ime dobio 1787. godine, kada je objavljena knjiga "Metoda kemijske nomenklature", u kojoj se umjesto francuskog naziva "čisti ugljen" (charbone pur) pojavljuje izraz "ugljik" (carbone).

Ugljik ima jedinstvenu sposobnost formiranja polimernih lanaca neograničene duljine, čime je nastala ogromna klasa spojeva, čije proučavanje provodi posebna grana kemije - organska kemija. Organski spojevi ugljika temelj su života na Zemlji, stoga nema smisla govoriti o važnosti ugljika kao kemijskog elementa - on je osnova života na Zemlji.

Pogledajmo sada ugljik sa stajališta anorganske kemije.

Riža. Struktura atoma ugljika.

Elektronska konfiguracija ugljika je 1s 2 2s 2 2p 2 (vidi Elektronička struktura atoma). Na vanjskoj energetskoj razini ugljik ima 4 elektrona: 2 uparena u s-podrazini + 2 nesparena u p-orbitalama. Kada atom ugljika prijeđe u pobuđeno stanje (zahtijeva utrošak energije), jedan elektron sa s-podrazine "napušta" svoj par i prelazi na p-podrazinu, gdje postoji jedna slobodna orbitala. Dakle, u pobuđenom stanju elektronska konfiguracija atoma ugljika ima sljedeći oblik: 1s 2 2s 1 2p 3.

Riža. Prijelaz atoma ugljika u pobuđeno stanje.

Ova "rokada" značajno proširuje valentne sposobnosti atoma ugljika, koji mogu poprimiti oksidacijsko stanje od +4 (u spojevima s aktivnim nemetalima) do -4 (u spojevima s metalima).

U nepobuđenom stanju atom ugljika u spojevima ima valenciju 2, npr. CO(II), a u pobuđenom stanju ima valenciju 4: CO 2 (IV).

“Jedinstvenost” atoma ugljika leži u činjenici da se na njegovoj vanjskoj energetskoj razini nalaze 4 elektrona, dakle, za dovršetak razine (kojoj, zapravo, teže atomi bilo kojeg kemijskog elementa), može s jednakom “uspjeh”, i daju i dodaju elektrone da bi se formirale kovalentne veze (vidi Kovalentna veza).

Ugljik kao jednostavna tvar

Kao jednostavna tvar, ugljik se može naći u obliku nekoliko alotropskih modifikacija:

• Dijamant
• Grafit
• fuleren
• Carbin

Dijamant

Riža. Dijamantna kristalna rešetka.

Svojstva dijamanta:

• bezbojna kristalna tvar;
• najtvrđa tvar u prirodi;
• ima snažan refrakcijski učinak;
• slabo provodi toplinu i elektricitet.

Riža. Dijamantni tetraedar.

Iznimna tvrdoća dijamanta objašnjava se građom njegove kristalne rešetke koja ima oblik tetraedra - u središtu tetraedra nalazi se atom ugljika, koji je jednako jakim vezama povezan sa četiri susjedna atoma koji tvore vrhove tetraedra (vidi gornju sliku). Ova "konstrukcija" je pak povezana sa susjednim tetraedrima.

Grafit

Riža. Grafitna kristalna rešetka.

Svojstva grafita:

• meka kristalna tvar sive boje sa slojevitom strukturom;
• ima metalni sjaj;
• dobro provodi struju.

U grafitu atomi ugljika tvore pravilne šesterokute koji leže u istoj ravnini, organizirani u beskrajne slojeve.

U grafitu, kemijske veze između susjednih atoma ugljika formiraju tri valentna elektrona svakog atoma (prikazana plavom bojom na donjoj slici), pri čemu četvrti elektron (prikazan crvenom bojom) svakog atoma ugljika nalazi se u p-orbitali i leži okomito na ravninu grafitnog sloja, ne sudjeluje u stvaranju kovalentnih veza u ravnini sloja. Njegova "svrha" je drugačija - u interakciji sa svojim "bratom" koji leži u susjednom sloju, osigurava vezu između slojeva grafita, a visoka pokretljivost p-elektrona određuje dobru električnu vodljivost grafita.

Riža. Raspodjela orbitala atoma ugljika u grafitu.

fuleren

Riža. Kristalna rešetka fulerena.

Svojstva fulerena:

• molekula fulerena skup je ugljikovih atoma zatvorenih u šuplje sfere poput nogometne lopte;
• to je finokristalna tvar žuto-narančaste boje;
• talište = 500-600°C;
• poluvodič;
• dio je minerala šungita.

Carbin

Svojstva karbina:

• crna inertna tvar;
• sastoji se od polimernih linearnih molekula u kojima su atomi povezani izmjeničnim jednostrukim i trostrukim vezama;
• poluvodič.

Kemijska svojstva ugljika

U normalnim uvjetima ugljik je inertna tvar, ali kada se zagrijava može reagirati s nizom jednostavnih i složenih tvari.

Gore je već rečeno da na vanjskoj energetskoj razini ugljika postoje 4 elektrona (ni ovdje ni tamo), stoga ugljik može i predati elektrone i prihvatiti ih, pokazujući redukcijska svojstva u nekim spojevima i oksidacijska svojstva u drugima.

Ugljik je redukcijsko sredstvo u reakcijama s kisikom i drugim elementima koji imaju veću elektronegativnost (vidi tablicu elektronegativnosti elemenata):

• kada se zagrijava na zraku gori (s viškom kisika uz stvaranje ugljičnog dioksida; s njegovim nedostatkom - ugljični monoksid (II)):
  C + O2 = CO2;
  2C + O 2 = 2CO.
• reagira na visokim temperaturama s parama sumpora, lako stupa u interakciju s klorom, fluorom:
  C + 2S = CS 2
  C + 2Cl 2 = CCl 4
  2F 2 + C = CF 4
• Kada se zagrijava, reducira mnoge metale i nemetale iz oksida:
  C0 + Cu +2 O = Cu 0 + C +2 O;
  C 0 + C + 4 O 2 = 2 C + 2 O
• na temperaturi od 1000°C reagira s vodom (proces rasplinjavanja), stvarajući vodeni plin:
  C + H20 = CO + H2;

Ugljik pokazuje oksidacijska svojstva u reakcijama s metalima i vodikom:

• reagira s metalima stvarajući karbide:
  Ca + 2C = CaC 2
• u interakciji s vodikom, ugljik stvara metan:
  C + 2H2 = CH4

Ugljik se dobiva toplinskom razgradnjom njegovih spojeva ili pirolizom metana (na visokoj temperaturi):
CH4 = C + 2H2.

Primjena ugljika

Spojevi ugljika našli su najširu primjenu u nacionalnom gospodarstvu; nije ih moguće navesti sve, navest ćemo samo neke:

• grafit se koristi za izradu milova za olovke, elektroda, lonaca za taljenje, kao moderator neutrona u nuklearnim reaktorima i kao mazivo;
• Dijamanti se koriste u nakitu, kao alat za rezanje, u opremi za bušenje i kao abrazivni materijal;
• Ugljik se koristi kao redukcijsko sredstvo za proizvodnju nekih metala i nemetala (željezo, silicij);
• Ugljik čini najveći dio aktivnog ugljena, koji je našao široku primjenu, kako u svakodnevnom životu (npr. kao adsorbent za pročišćavanje zraka i otopina), tako i u medicini (tablete aktivnog ugljena) i industriji (kao nosač za katalizator aditivi, katalizator polimerizacije itd.).

Karakteristike elementa

6 C 1s 2 2s 2 2p 2

Izotopi: 12 C (98,892%); 13°C (1,108%); 14 C (radioaktivno)

Clarke u zemljinoj kori iznosi 0,48% mase. Oblici lokacije:

u slobodnom obliku (ugljen, dijamanti);

u sastavu karbonata (CaCO 3, MgCO 3, itd.);

kao dio fosilnih goriva (ugljen, nafta, plin);

u obliku CO 2 - u atmosferi (0,03% volumena);

u Svjetskom oceanu - u obliku HCO 3 - aniona;

u sastavu žive tvari (-18% ugljika).

Kemija ugljikovih spojeva uglavnom je organska kemija. U anorganskoj kemiji proučavaju se sljedeće tvari koje sadrže C: slobodni ugljik, oksidi (CO i CO 2), ugljična kiselina, karbonati i bikarbonati.

Slobodni ugljik. Alotropija.

U slobodnom stanju ugljik tvori 3 alotropske modifikacije: dijamant, grafit i umjetno proizvedeni karbin. Ove modifikacije ugljika razlikuju se po kristalno kemijskoj strukturi i fizičkim svojstvima.

Dijamant

U kristalu dijamanta, svaki atom ugljika je jakim kovalentnim vezama povezan s četiri druga smještena oko njega na jednakoj udaljenosti.

Svi atomi ugljika su u stanju sp 3 hibridizacije. Atomska kristalna rešetka dijamanta ima tetraedarsku strukturu.

Dijamant je bezbojna, prozirna tvar koja jako lomi svjetlost. Ima najveću tvrdoću među svim poznatim tvarima. Dijamant je krt, vatrostalan i ne provodi dobro toplinu ili elektricitet. Male udaljenosti između susjednih atoma ugljika (0,154 nm) određuju prilično visoku gustoću dijamanta (3,5 g/cm3).

Grafit

U kristalnoj rešetki grafita svaki atom ugljika je u stanju sp 2 hibridizacije i tvori tri jake kovalentne veze s atomima ugljika koji se nalaze u istom sloju. U stvaranju tih veza sudjeluju tri elektrona svakog atoma ugljika, a četvrti valentni elektroni tvore n-veze i relativno su slobodni (pokretni). Oni određuju električnu i toplinsku vodljivost grafita.

Duljina kovalentne veze između susjednih atoma ugljika u istoj ravnini je 0,152 nm, a udaljenost između atoma C u različitim slojevima je 2,5 puta veća, pa su veze među njima slabe.

Grafit je neprozirna, mekana, masna na dodir tvar sivo-crne boje s metalnim sjajem; dobro provodi toplinu i elektricitet.

Grafit ima manju gustoću u usporedbi s dijamantom i lako se cijepa u tanke ljuskice.

Carbin

Neuređena struktura finokristalnog grafita leži u osnovi strukture različitih oblika amorfnog ugljika, od kojih su najvažniji koks, mrki i crni ugljen, čađa i aktivni ugljen.

Ova alotropska modifikacija ugljika dobiva se katalitičkom oksidacijom (dehidropolikondenzacijom) acetilena. Carbyne je lančani polimer koji ima dva oblika:

S=S-S=S-... i...=S=S=S=

Kemijska svojstva ugljika

Carbyne ima svojstva poluvodiča.

Na uobičajenim temperaturama, obje modifikacije ugljika (dijamant i grafit) su kemijski inertne. Fini kristalni oblici grafita - koks, čađa, aktivni ugljen - reaktivniji su, ali u pravilu nakon što su prethodno zagrijani na visoku temperaturu.

C - aktivni redukcijski agens:

1. Interakcija s kisikom

2C + O 2 = 2CO + 221 kJ (s nedostatkom O 2)

Izgaranje ugljena jedan je od najvažnijih izvora energije.

2. Interakcija s fluorom i sumporom.

C + 2F 2 = CF 4 ugljikov tetrafluorid

C + 2S = CS 2 ugljikov disulfid

3. Koks je jedan od najvažnijih redukcijskih sredstava koja se koriste u industriji. U metalurgiji se koristi za dobivanje metala iz oksida, npr.

ZS + Fe 2 O 3 = 2Fe + ZSO

C + ZnO = Zn + CO

4. Kada ugljik stupa u interakciju s oksidima alkalijskih i zemnoalkalijskih metala, reducirani metal spaja se s ugljikom u karbid. Na primjer: 3S + CaO = CaC 2 + CO kalcijev karbid

5. Koks se također koristi za proizvodnju silicija:

2C + SiO 2 = Si + 2SO

6. Ako postoji višak koksa, nastaje silicijev karbid (karborund) SiC.

Proizvodnja “vodenog plina” (rasplinjavanje krutog goriva)

Propuštanjem vodene pare kroz užareni ugljen dobiva se zapaljiva smjesa CO i H 2 koja se naziva vodeni plin:

C + H2O = CO + H2

7. Reakcije s oksidirajućim kiselinama.

Kada se zagrijava, aktivni ugljen ili ugljen reducira anione NO 3 - i SO 4 2- iz koncentriranih kiselina:

C + 4HNO 3 = CO 2 + 4NO 2 + 2H 2 O

C + 2H2SO4 = CO2 + 2SO2 + 2H2O

8. Reakcije s rastaljenim nitratima alkalijskih metala

U talinama KNO 3 i NaNO 3 zdrobljeni ugljen intenzivno gori uz stvaranje blistavog plamena:

5C + 4KNO 3 = 2K 2 CO 3 + ZCO 2 + 2N 2

C - nisko aktivno oksidacijsko sredstvo:

1. Stvaranje soli sličnih karbida s aktivnim metalima.

Značajno slabljenje nemetalnih svojstava ugljika izraženo je u činjenici da se njegove funkcije kao oksidacijskog sredstva očituju u mnogo manjoj mjeri od redukcijskih funkcija.

2. Samo u reakcijama s aktivnim metalima atomi ugljika pretvaraju se u negativno nabijene ione C -4 i (C=C) 2-, tvoreći karbide slične soli:

ZS + 4Al = Al 4 C 3 aluminijev karbid

2C + Ca = CaC 2 kalcijev karbid

3. Ionski karbidi su vrlo nestabilni spojevi, lako se raspadaju pod djelovanjem kiselina i vode, što ukazuje na nestabilnost negativno nabijenih ugljikovih aniona:

Al 4 C 3 + 12H 2 O = ZSN 4 + 4Al(OH) 3

CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2

4. Stvaranje kovalentnih spojeva s metalima

U talinama smjesa ugljika s prijelaznim metalima nastaju karbidi pretežno s kovalentnom vrstom veze. Njihove molekule imaju promjenjiv sastav, a tvari u cjelini bliske su legurama. Takvi karbidi su vrlo stabilni; oni su kemijski inertni u odnosu na vodu, kiseline, lužine i mnoge druge reagense.

5. Interakcija s vodikom

Pri visokim T i P, u prisutnosti nikalnog katalizatora, ugljik se spaja s vodikom:

C + 2NN 2 → SNN 4

Reakcija je vrlo reverzibilna i nema praktičnog značaja.