Резюме Характеристики на химичния елемент № 6 Въглерод
Южен Уралски държавен университет
Характеристики на химичен елемент
студентска група ММВ-335
Мелниченко В. Г.
Въглеродът е познат от древни времена. Дървените въглища са служили за извличане на метали от руди, диамантът - като скъпоценен камък. Много по-късно графитът се използва за направата на тигели и моливи.
През 1778 г. К. Шееле, нагрявайки графит със селитра, открива, че в този случай, както при нагряване на въглища със селитра, се отделя въглероден диоксид. Химическият състав на диаманта е установен в резултат на експериментите на А. Лавоазие (1772) върху изгарянето на диамант във въздуха и изследванията на С. Тенант (1797), който доказва, че равни количества диамант и въглища дават еднакви количества въглероден диоксид по време на окисление. Въглеродът е признат за химически елемент през 1789 г. от Лавоазие. Латинското наименование carboneum carbon е получено от carbo - въглища. [1].
2. Разпространение на въглерода в природата, включително в живите организми.
По съдържание в земната кора въглеродът заема 17-то място сред елементите: той представлява около 0,14 ат. % от общия брой атоми в земната кора. В същото време значението на въглерода е изключително голямо, тъй като неговите съединения са в основата на всички живи организми. Средно живите организми, които изграждат биосферата, с 18 тегл. % се състои от въглерод (в човешкото тяло 19,37% въглерод).
По-голямата част от въглерода е концентриран в естествени карбонати (CaCO3 - варовик, мрамор, креда, CaCO3 • MgCO3 - доломит, MgCO3 - магнезит) и изкопаеми горива (нефт, въглища и кафяви въглища, торф, нефтени шисти, естествени горими газове). Въглеродът навлиза в атмосферата под формата на въглероден диоксид CO2 (0,03 об.%), в разтворено състояние CO2 се намира в естествени води(в хидросферата е 60 пъти повече, отколкото в атмосферата).
Свободният въглерод се среща под формата на диамант, графит и така наречения аморфен въглерод (фин графит, основните разновидности са въглища и сажди). Някои битуминозни въглища са 98% въглерод. [2].
В източника [2] е написано, че някои изкопаеми въглища са 98% въглерод, а в източника [5] е написано, че някои от изкопаемите въглища съдържат 99% въглерод.
Считам литературния източник [2] за правилен, тъй като е по-нов (2003 г.).
3. Физични свойства.
Въглеродът е първият елемент в четвъртата група на периодичната система. Атомното му тегло е 12,01115. [5].
Алотропните модификации на въглерода - диамант и графит - рязко се различават по физични свойства.
Диамантите са прозрачни кристали, много твърди. Твърдостта на диаманта се обяснява със структурата на неговата кристална решетка, четири валентни електрона на всеки въглероден атом в диаманта образуват силни ковалентни връзки с други въглеродни атоми. Кристалната решетка на диаманта има тетраедрична структура. Разстоянието между всички въглеродни атоми е еднакво. Плътността на диаманта е 3,51 g/cm3. Диамантът провежда електричество, защото в неговата кристална решетка няма свободни електрони.
Графитът е меко тъмно сиво вещество с метален блясък. Плътността му варира от 2,17 до 2,3 g/cm3. Кристалната решетка на графита има сложна слоеста структура. Разстоянието между слоевете в графитен кристал е 2,5 пъти по-голямо от разстоянието между съседни въглеродни атоми в една и съща равнина, така че връзката между въглеродните атоми в един слой е много по-силна от връзката между въглеродните атоми, разположени в различни слоеве. Всеки въглероден атом в кристалната решетка
графитът образува трисилни ковалентни връзки с въглеродни атоми, разположени в същия слой. Три електрона на въглеродния атом участват в образуването на тези връзки, а четвъртият валентен електрон е относително свободен. Наличието на свободни електрони определя електрическата проводимост на графита. [3].
Въглищата (особено дървените) имат висок адсорбционен капацитет. Адсорбционният капацитет на въглищата се определя от тяхната порьозност. Колкото повече пори, толкова по-голяма е повърхността на въглищата и толкова по-голям е адсорбционният капацитет. Обикновено порите на въглищата са частично запълнени с различни вещества, което намалява адсорбционната му способност. За да се подобри адсорбцията, въглищата се подлагат на специална обработка - нагряват се в поток от водна пара, за да освободят порите си от замърсители. Обработеният по този начин въглен се нарича активен въглен. [4].
4. Химични свойства.
От алотропните модификации на въглерода, аморфните въглища реагират по-лесно от другите.
С кислорода въглеродът образува два основни оксида - въглероден диоксид или въглероден анхидрид, често наричан още въглероден диоксид CO2, и въглероден оксид CO. В допълнение към тях са известни и оксиди със състав C3O2 и C12O9.
При много високи температури въглеродът се свързва с водород, сяра, силиций, бор и много метали. [5].
При обикновени температури въглищата са много инертни. Химическата му активност се проявява само при високи температури. Като окислител въглеродът реагира с някои метали и неметали. Съединенията на въглерода с металите се наричат карбиди.
От голямо практическо значение е калциевият карбид, който се получава чрез нагряване на вар CaO и кокс в електрически пещи:
CaO + 3C = CaC2 + CO
С водород се образуват въглища в присъствието на никелов катализатор и при нагряванеМетанът е основният компонент на природните горими газове:
Въпреки това въглищата са по-характерни за реакции, при които проявява редуциращи свойства. Това се случва по време на пълното изгаряне на въглерод от всякаква алотропна модификация:
Въглищата редуцират желязо, мед, цинк, олово и други метали от техните оксиди, което се използва широко в металургията за получаване на тези метали. Например:
2ZnO + C = 2Zn + CO2
Много важно химично свойство на въглерода е способността на неговите атоми да образуват силни връзки помежду си - въглеродни вериги. [4].
5. Получаване на въглерод.
При термичното разлагане на въглеродните съединения се образува черна маса - въглища и се отделят летливи продукти. Въглищата са фино раздробен графит. Най-важните видове въглища са кокс, дървени въглища и сажди.
Коксът се получава чрез нагряване на въглища в отсъствие на въздух.
Дървените въглища се получават чрез овъгляване на дървесина (нагряване без достъп или с малък достъп на въздух).
Саждите се получават от въглеводороди (природен газ, ацетилен, терпентин и др.) чрез изгарянето им при ограничен достъп на въздух (или термично разлагане при липса на въздух). [4].
В лабораториите въглеродният диоксид обикновено се произвежда чрез третиране на CaCO3 мрамор със солна киселина:
CaCO3 + 2HC1 = CaC12 + H2O + CO2
В промишлеността се произвеждат големи количества въглероден диоксид като страничен продукт от изгарянето на вар:
CaCO3 = CaO + CO2 [5].
6. Приложение на въглерода и неговите съединения.
Техническите диаманти се използват за шлайфане на особено твърди материали и рязане на скали. Големите диаманти се шлифоват (вземете диаманти) и се използват в бижутата.
Графитът се използва за производство на електродипромишлена електролиза), неутронни модератори в ядрени реактори и моливи. Графитът се използва като смазка.
Коксът се използва в металургията като редуциращ агент.
Саждите се използват като пълнител в производството на каучук и в производството на черни бои.
Високият адсорбционен капацитет на активния въглен (фино натрошен фино порест въглен) се използва за пречистване на вещества от примеси; в медицината - за отстраняване на разтворени вредни вещества и газове от храносмилателния тракт; в противогази - за отстраняване на вредни примеси от вдишания въздух.
Въглеродният диоксид се използва при производството на сода, захар, газирани напитки. Твърдият сгъстен въглероден диоксид (сух лед) се използва при взривяване на въглищни мини (за увеличаване на използваемата площ на експлозията поради моменталното изпаряване на "сухия лед"), за премахване на облаци (като кристализационни центрове за преохладена вода, капките от които се състоят облаците), както и за съхранение на нетрайни продукти.
Калиевият карбонат (поташ) се използва при производството на течен сапун, оптично огнеупорно стъкло.
Калциевият карбонат (варовик, мрамор, креда) се използва широко в строителството. [2].
Аморфният въглерод под формата на дървени въглища и кокс, въглищата, както и много въглеродни съединения играят важна роля в съвременния живот като източници на различни видове енергия. При изгарянето на въглища и въглеродсъдържащи съединения се отделя топлина, която се използва за отопление. По-голямата част от получената топлина се превръща в други видове енергия и се изразходва за извършване на механична работа. [5].
7. Списък на използваната литература.
1. Н. С. Ахметов. Общи инеорганична химия. Московско издателство Висше училище
2. О. О. Максименко. Химия. Помощ за влизане в университети. Московско издателство
3. А. С. Егоров, К. П. Шацкая, Н. М. Иванченко, В. Д. Дионисьев и В. К. Ермакова,
Л. В. Котелницкая, И. Е. Слабченко, Р. В. Шевченко, К. Д. Шлюкер. Химия. полза-
преподавател на кандидат-студенти. Ростов на Дон издателство Феникс 2003
4. Г. П. Хомченко. Ръководство по химия за студенти. Московско издателство
Нова вълна 2002
5. Н. Л. Глинка. Обща химия. Ленинградско издателство химия 1972 г