Вуглець і його основні неорганічні сполуки

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

МОУ «Никифоровский середня загальноосвітня школа № 1»

Вуглець і його основні неорганічні сполуки

Реферат

Виконав: учень 9В класу

Сидоров Олександр

Учитель: Сахарова Л.М.

Дмитрівка 2009

Зміст

Введення

Глава I. Все про вуглець

1.1. Вуглець у природі

1.2. Алотропні модифікації вуглецю

1.3. Хімічні властивості вуглецю

1.4. Застосування вуглецю

Глава II. Неорганічні сполуки вуглецю

Висновок

Література

Введення

Вуглець (лат. Carboneum) С - хімічний елемент IV групи періодичної системи Менделєєва: атомний номер 6, атомна маса 12,011 (1). Розглянемо будову атома вуглецю. На зовнішньому енергетичному рівні атома вуглецю знаходяться чотири електрона. Зобразимо графічно:


1s 2 2s 2 2p 2

Вуглець був відомий з глибокої давнини, і ім'я першовідкривача цього елементу невідомо.

В кінці XVII ст. флорентійські вчені Аверані і Тарджоні намагалися сплавити кілька дрібних алмазів в один великий і нагріли їх за допомогою запального скла сонячними променями. Алмази зникли, згорівши на повітрі. У 1772 р. французький хімік А. Лавуазьє показав, що при згорянні алмазу утворюється СО 2. Лише в 1797 р. англійський учений С. Теннант довів ідентичність природи графіту і вугілля. Після згорання рівних кількостей вугілля і алмазу обсяги оксиду вуглецю (IV) виявилися однаковими.

Різноманіття сполук вуглецю, що пояснюється здатністю його атомів з'єднуватися один з одним і атомами інших елементів різними способами, обумовлює особливе положення вуглецю серед інших елементів.

Глава I. Все про вуглець

1.1. Вуглець у природі

Вуглець знаходиться в природі, як у вільному стані, так і у вигляді сполук.

Вільний вуглець зустрічається у вигляді алмазу, графіту і карбін.

Алмази дуже рідкісні. Найбільший з відомих алмазів - «Куллінан» був знайдений в 1905 р. в Південній Африці, важив 621,2 г і мав розміри 10 × 6,5 × 5 см. У Алмазному фонді в Москві зберігається один з найбільших і найкрасивіших алмазів у світі - «Орлів» (37,92 г).

Свою назву алмаз отримав від грец. «Адамас» - непереможний, непохитний. Найзначніші родовища алмазів знаходяться в Південній Африці, Бразилії, в Якутії.

Великі поклади графіту знаходяться в ФРН, в Шрі-Ланці, в Сибіру, ​​на Алтаї.

Головними углеродсодержащими мінералами є: магнезит М g СО 3, кальцит (вапняний шпат, вапняк, мармур, крейда) СаСО 3, доломіт Сам g (СО 3) 2 та ін

Усі горючі копалини - нафта, газ, торф, кам'яні й бурі вугілля, сланці - побудовані на вуглецевій основі. Близькі за складом до вуглецю деякі копалини вугілля, що містять до 99% С.

На частку вуглецю припадає 0,1% земної кори.

У вигляді оксиду вуглецю (IV) СО2 вуглець входить до складу атмосфери. У гідросфері розчинено велика кількість СО 2.

1.2. Алотропні модифікації вуглецю

Елементарний вуглець утворює три алотропні модифікації: алмаз, графіт, карбін.

1. Алмаз - безбарвна, прозора кристалічна речовина, надзвичайно сильно переломлює промені світла. Атоми вуглецю в алмазі знаходяться в стані s р 3-гібридизації. У збудженому стані відбувається розпарювання валентних електронів в атомах вуглецю й утворення чотирьох неспарених електронів. При утворенні хімічних зв'язків електронні хмари набувають однакову витягнуту форму і розташовуються в просторі так, що їхні осі виявляються спрямованими до вершин тетраедра. При перекривання вершин цих хмар з хмарами інших атомів вуглецю виникають ковалентні зв'язку під кутом 109 ° 28 ', і утворюється атомна кристалічна решітка, характерна для алмазу.

Кожен атом вуглецю в алмазі оточений чотирма іншими, розташованими від нього в напрямках від центру тетраедрів до вершин. Відстань між атомами в тетраедрах одно 0,154 нм. Міцність всіх зв'язків однакова. Таким чином, атоми в алмазі «упаковані» дуже щільно. При 20 ° С щільність алмаза складає 3,515 г / см 3. Цим пояснюється його виняткова твердість. Алмаз погано проводить електричний струм.

У 1961 р. в Радянському Союзі було розпочато промислове виробництво синтетичних алмазів з графіту.

При промисловому синтезі алмазів використовуються тиску в тисячі МПа і температури від 1500 до 3000 ° С. Процес ведуть у присутності каталізаторів, якими можуть служити деякі метали, наприклад Ni. Основна маса утворюються алмазів - невеликі кристали й алмазний пил.

Алмаз при нагріванні без доступу повітря вище 1000 ° С перетворюється на графіт. При 1750 ° С перетворення алмазу в графіт відбувається швидко.

Структура алмазу

2. Графіт - сіро-чорне кристалічна речовина з металевим блиском, жирне на дотик, по твердості поступається навіть паперу.

Атоми вуглецю в кристалах графіту знаходяться в стані s р 2-гібридизації: кожний з них утворює три ковалентні σ-зв'язки з сусідніми атомами. Кути між напрямками зв'язків рівні 120 °. У результаті утворюється сітка, складена з правильних шестикутників. Відстань між сусідніми ядрами атомів вуглецю всередині шару становить 0,142 нм. Четвертий електрон зовнішнього шару кожного атома вуглецю в графіті займає р-орбіталь, не бере участь в гібридизації.

Негибридная електронні хмари атомів вуглецю орієнтовані перпендикулярно площині шару, і перекриваючись один з одним, утворюють делокалізованние σ-зв'язку. Сусідні шари в кристалі графіту знаходяться один від одного на відстані 0,335 нм і слабо пов'язані між собою, в основному силами Ван-дер-Ваальса. Тому графіт має низьку механічну міцність і легко розщеплюється на лусочки, які самі по собі дуже міцні. Зв'язок між шарами атомів вуглецю в графіті частково має металевий характер. Цим пояснюється той факт, що графіт добре проводить електричний струм, але все, же не так добре, як метали.

Структура графіту

Фізичні властивості в графіті сильно розрізняються по галузях - перпендикулярному та паралельному верствам атомів вуглецю.

При нагріванні без доступу повітря графіт не зазнає ніяких змін до 3700 ° С. При зазначеній температурі він переганяється, не плавлячись.

Штучний графіт одержують із кращих сортів кам'яного вугілля при 3000 ° С в електричних печах без доступу повітря.

Графіт термодинамічно стійкий у широкому інтервалі температур і тисків, тому він приймається як стандартного стану вуглецю. Щільність графіту становить 2,265 г / см 3.

3. Карбин - дрібнокристалічний порошок чорного кольору. У його кристалічній структурі атоми вуглецю з'єднані чергуються одинарними і потрійними зв'язками в лінійні ланцюжка:

- З ≡ С-С ≡ С-С ≡ С-

Ця речовина вперше отримано В.В. Коршак, А.М. Сладкова, В.І. Касаточкіним, Ю.П. Кудрявцевим на початку 60-х років XX століття.

Згодом було показано, що карбін може існувати в різних формах і містить як поліацетіленовие, так і полікумуленовие ланцюжки, в яких вуглецеві атоми пов'язані подвійними зв'язками:

= С = С = С = С = С = С =

Пізніше карбин був знайдений у природі - в метеоритному речовині.

Карбин має напівпровідниковими властивостями, під дією світла його провідність сильно збільшується. За рахунок існування різних типів зв'язку і різних способів укладання ланцюгів з вуглецевих атомів в кристалічній решітці фізичні властивості карбін можуть змінюватися в широких межах. При нагріванні без доступу повітря вище 2000 ° С карбин стійкий, при температурах близько 2300 ° С спостерігається його перехід в графіт.

Природний вуглець складається з двох ізотопів (98,892%) і (1,108%). Крім того, в атмосфері виявлені незначні домішки радіоактивного ізотопу , Який отримують штучним шляхом.

Раніше вважали, що деревне вугілля, сажа і кокс близькі за складом чистому вуглецю і відрізняються за властивостями від алмазу і графіту, представляють самостійну аллотропних модифікацій вуглецю («аморфний вуглець»). Однак було встановлено, що ці речовини складаються з найдрібніших кристалічних частинок, в яких атоми вуглецю зв'язані так само, як в графіті.

4. Вугілля - тонко подрібнений графіт. Утворюється при термічному розкладанні вуглецевмісних сполук без доступу повітря. Вугілля істотно розрізняються за властивостями в залежності від речовини, з якої вони отримані і способу отримання. Вони завжди містять домішки, що впливають на їх властивості. Найбільш важливі сорти вугілля - кокс, деревне вугілля, сажа.

Кокс виходить при нагріванні кам'яного вугілля без доступу повітря.

Деревне вугілля утворюється при нагріванні дерева без доступу повітря.

Сажа - дуже дрібний графітовий кристалічний порошок. Утворюється при спалюванні вуглеводнів (природного газу, ацетилену, скипидару та ін) при обмеженому доступі повітря.

Активні вугілля - пористі промислові адсорбенти, що складаються в основному з вуглецю. Адсорбцією називають поглинання поверхнею твердих речовин газів і розчинених речовин. Активні вугілля отримують з твердого палива (торфу, бурого і кам'яного вугілля, антрациту), дерева та продуктів його переробки (деревного вугілля, тирси, відходів паперового виробництва), відходів шкіряної промисловості, матеріалів тваринного походження, наприклад кісток. Вугілля, що відрізняються високою механічною міцністю, виробляють з шкаралупи кокосових та інших горіхів, з кісточок плодів. Структура вугілля представлена ​​порами всіх розмірів, проте адсорбційна ємність і швидкість адсорбції визначаються змістом мікропор в одиниці маси або об'єму гранул. При виробництві активного вугілля спочатку вихідний матеріал піддають термічній обробці без доступу повітря, в результаті якої з нього видаляється волога і частково смоли. При цьому утворюється великопористі структура вугілля. Для отримання мікропористої структури активацію виробляють або окисленням газом або парою, або обробкою хімічними реагентами.

1.3. Хімічні властивості вуглецю

При звичайних температурах алмаз, графіт, вугілля хімічно інертні, але при високих температурах активність їх збільшується. Як і слід з будови основних форм вуглецю, вугілля вступає в реакції легше, ніж графіт і тим більше алмаз. Графіт не тільки більш реакционноспособен, ніж алмаз, але і, реагуючи з деякими речовинами, може утворювати такі продукти, яких не утворює алмаз.

1. В якості окислювача карбон реагує з деякими металами при високих температурах, утворюючи карбіди:

ЗС + 4А l = А l 4 С 3 (карбід алюмінію).

2. З воднем вугілля і графіт утворюють вуглеводні. Найпростіший представник - метан СН 4 - може бути отриманий у присутності каталізатора N i при високій температурі (600-1000 ° С):

С + 2Н 2 СН 4.

3. При взаємодії з киснем вуглець виявляє відновні властивості. При повному згорянні вуглецю будь аллотропной модифікації утворюється оксид вуглецю (IV):

С + О 2 = СО 2.

При неповному згорянні утворюється оксид вуглецю (II) СО:

С + О 2 = 2СО.

Обидві реакції екзотермічни.

4. Особливо яскраво відновні властивості вугілля проявляються при взаємодії з оксидами металів (цинку, міді, свинцю та ін), наприклад:

З + 2 CuO = СО 2 ↑ + 2 Cu,

З + 2 ZnO = СО 2 ↑ + 2 Zn.

На цих реакціях заснований найважливіший процес металургії - виплавка металів з ​​руд.

В інших випадках, наприклад при взаємодії з оксидом кальцію, утворюються карбіди:

СаО + ЗС = Сас 2 + СО ↑.

5. Вугілля окислюється гарячими концентрованими сірчаною та азотною кислотами:

С + 2Н 2 SO 4 = С O 2 ↑ + 2 SO 2 ↑ + 2Н 2 О,

конц.

ЗС + 4Н N О 3 = ЗСО 2 ↑ + 4 NO ↑ + 2Н 2 О.

конц.

Будь-які форми вуглецю стійкі по відношенню до лугів!

1.4. Застосування вуглецю

Алмази використовуються для обробки різних твердих матеріалів, для різання, шліфування, свердління і гравірування скла, для буріння гірських порід. Алмази після шліфування й огранювання перетворюються в діаманти, використовувані як прикраси.

Графіт - найцінніший матеріал для сучасної промисловості. З графіту виготовляють ливарні форми, плавильні тиглі та інші вогнетривкі вироби. Завдяки високій хімічній стійкості графіт застосовується для виготовлення труб і апаратів, викладених зсередини графітовими плитами. Значні кількості графіту використовують у електротехнічній промисловості, наприклад при виготовленні електродів. Графіт використовується для виготовлення олівців і деяких фарб, як мастильного матеріалу. Дуже чистий графіт використовують в ядерних реакторах для уповільнення нейтронів.

Лінійний полімер вуглецю - карбін - привертає увагу вчених як перспективний матеріал для виготовлення напівпровідників, які можуть працювати при високих температурах, і надміцних волокон.

Деревне вугілля використовується в металургійній промисловості, в ковальській справі.

Кокс застосовується як відновник при виплавці металів з ​​руд.

Сажа застосовується в якості наповнювача гум для підвищення міцності, тому автомобільні шини - чорного кольору. Використовують сажу і як компонент друкарських фарб, туші, крему для взуття.

Активні вугілля використовується для очищення, витягання і розділення різних речовин. Активні вугілля застосовуються в якості наповнювачів протигазів і як сорбуючі засіб у медицині.

Глава II. Неорганічні сполуки вуглецю

Вуглець утворює два оксиду - оксид вуглецю (II) СО і оксид вуглецю (IV) З O 2.

Оксид вуглецю (II) СО - безбарвний, не має запаху газ, малорозчинний у воді. Його називають чадним газом, оскільки він дуже отруйний. Потрапляючи при диханні в кров, швидко з'єднується з гемоглобіном, утворюючи міцне з'єднання карбоксигемоглобін, позбавляючи тим самим можливості гемоглобін переносити кисень.

При вдиханні повітря, що містить 0,1% СО, людина може раптово втратити свідомість і померти. Чадний газ утворюється при неповному згорянні палива, ось чому так небезпечно передчасне закриття димоходів.

Оксид вуглецю (II) відносять, як ви вже знаєте, до несолеобразующіе оксидам, так як, будучи оксидом неметалла, він повинен реагувати з лугами та основними оксидами з утворенням солі і води, однак цього не спостерігається.

2СО + О 2 = 2СО 2.

Оксид вуглецю (II) здатний забирати кисень у оксидів металів, тобто відновлювати метали з їх оксидів.

Fe 2 О 3 + ЗСО = 2 Fe + ЗСО 2.

Саме це властивість оксиду вуглецю (II) використовують в металургії при виплавці чавуну.

Оксид вуглецю (IV) СО2 - Широко відомий під назвою вуглекислий газ - безбарвний, не має запаху газ. Він приблизно в півтора рази важчий за повітря. За звичайних умов в 1 обсязі води розчиняється 1 об'єм вуглекислого газу.

При тиску приблизно 60 атм вуглекислий газ перетворюється в безбарвну рідину. При випаровуванні рідкого вуглекислого газу частину його перетворюється на тверду снегообразную масу, яку в промисловості пресують, - це відомий вам «сухий лід», який застосовують для зберігання харчових продуктів. Ви вже знаєте, що твердий вуглекислий газ має молекулярну решітку, здатний до сублімації.

Вуглекислий газ СО2 - Це типовий кислотний оксид: взаємодіє з лугами (наприклад, викликає помутніння вапняної води), з основними оксидами і водою.

Він не горить і не підтримує горіння і тому застосовується для гасіння пожеж. Однак магній продовжує горіти в вуглекислому газі з утворенням оксиду і виділенням вуглецю у вигляді сажі.

СО 2 + 2Mg = 2MgO + С.

Вуглекислий газ отримують, діючи на солі вугільної кислоти - карбонати розчинами соляної, азотної і навіть оцтової кислот. У лабораторії вуглекислий газ отримують при дії на крейду або мармур соляної кислоти.

СаСО 3 + 2НС l = Сас l 2 + Н 2 0 + С0 2 ↑.

У промисловості вуглекислий газ отримують випаленням вапняку:

СаСО3 = СаО + С0 2 ↑.

Вуглекислий газ, крім уже названої області застосування, використовують також для виготовлення шипучих напоїв і для отримання соди.

При розчиненні оксиду вуглецю (IV) у воді утворюється вугільна кислота Н 2 СО 3, яка дуже нестійка і легко розкладається на вихідні компоненти - вуглекислий газ і воду.

Як двоосновна кислота, вугільна кислота утворює два ряди солей: середні - карбонати, наприклад СаСО 3, і кислі - гідрокарбонати, наприклад Са (НСО 3) 2. З карбонатів у воді розчиняються тільки солі калію, натрію і амонію. Кислі солі, як правило, розчиняються у воді.

При надлишку вуглекислого газу в присутності води карбонати можуть перетворюватися в гідрокарбонати. Так, якщо через вапняну воду пропускати вуглекислий газ, то вона спочатку помутніє через випав в осад нерозчинного у воді карбонату кальцію, однак при подальшому пропусканні вуглекислого газу помутніння зникає в результаті утворення розчинної гідрокарбонату кальцію:

Сас O 3 + Н 2 O + З O 2 = Са (НС O 3) 2.

Саме наявністю цієї солі і пояснюється тимчасова жорсткість води. Чому тимчасова? Тому, що при нагріванні розчинний гідрокарбонат кальцію знову перетворюється на нерозчинний карбонат:

Са (НС O 3) 2 = Сас O 3 ↓ + Н 2 0 + С0 2 ↑.

Ця реакція призводить до утворення накипу на стінках котлів, труб парового опалення і домашніх чайників, а в природі в результаті цієї реакції формуються в печерах звисають вниз химерні сталактити, назустріч яким знизу виростають сталагміти.

Інші солі кальцію і магнію, зокрема хлориди і сульфати, надають воді постійну жорсткість. Кип'ятінням постійну жорсткість води усунути не можна. Доводиться використовувати інший карбонат - соду.

Na 2 C О 3, яка переводить ці іони Са 2 + в осад, наприклад:

Сас l 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2 NaCl.

Соду можна використовувати і для усунення тимчасової жорсткості води.

Карбонати і гідрокарбонати можна виявити за допомогою розчинів кислот: при дії на них кислот спостерігається характерне «закипання» через виділяється вуглекислого газу.

Ця реакція є якісною реакцією на солі вугільної кислоти.

Висновок

Вся земне життя заснована на вуглеці. Кожна молекула живого організму побудована на основі вуглецевого скелета. Атоми вуглецю постійно мігрують з однієї частини біосфери (вузькою оболонки Землі, де існує життя) в іншу. На прикладі круговороту вуглецю в природі можна простежити в динаміці картину життя на нашій планеті.

Основні запаси вуглецю на Землі перебувають у вигляді міститься в атмосфері і розчиненого в Світовому океані діоксиду вуглецю, тобто вуглекислого газу (CO 2). Розглянемо спочатку молекули вуглекислого газу, що знаходяться в атмосфері. Рослини поглинають ці молекули, потім у процесі фотосинтезу атом вуглецю перетворюється на різноманітні органічні сполуки і таким чином включається в структуру рослин. Далі можливо кілька варіантів:

  1. Вуглець може залишатися в рослинах, поки рослини не загинуть. Тоді їх молекули підуть в їжу редуцентам (організмам, які харчуються мертвою органічною речовиною і при цьому руйнують його до простих неорганічних сполук), таким як гриби і терміти. Зрештою вуглець повернеться в атмосферу як CO 2;

  2. Рослини можуть бути з'їдені травоїдними тваринами. У цьому випадку вуглець або повернеться в атмосферу (в процесі дихання тварин і при їх розкладанні після смерті), або травоїдні тварини будуть з'їдені м'ясоїдними (і тоді вуглець знову ж повернеться в атмосферу тими ж шляхами);

  3. рослини можуть загинути і опинитися під землею. Тоді в кінцевому підсумку вони перетворяться на викопне паливо - наприклад, на вугілля.

У разі ж розчинення вихідної молекули CO 2 в морській воді також можливі декілька варіантів:

  • вуглекислий газ може просто повернутися в атмосферу (цей вид взаємного газообміну між Світовим океаном і атмосферою відбувається постійно);

  • вуглець може увійти в тканини морських рослин або тварин. Тоді він буде поступово накопичуватися у вигляді відкладень на дні Світового океану і врешті-решт перетвориться в вапняк або з відкладень знову перейде в морську воду.

Якщо вуглець увійшов до складу осадових відкладень або викопного палива, він вилучається з атмосфери. Протягом існування Землі вилучений таким чином вуглець заміщується вуглекислим газом, потрапляли в атмосферу при вулканічних виверженнях та інших геотермальних процесах. У сучасних умовах до цих природних факторів додаються також викиди при спалюванні людиною викопного палива. У зв'язку з впливом CO 2 на парниковий ефект дослідження круговороту вуглецю стало важливою задачею для вчених, що займаються вивченням атмосфери.

Складовою частиною цих пошуків є встановлення кількості CO 2, що знаходиться в тканинах рослин (наприклад, у щойно посадженому лісі) - вчені називають це стоком вуглецю. Оскільки уряди різних країн намагаються досягти міжнародної угоди з обмеження викидів CO 2, питання збалансованого співвідношення стоків та викидів вуглецю в окремих державах став головним яблуком розбрату для промислових країн. Проте вчені сумніваються, що накопичення вуглекислого газу в атмосфері можна зупинити одними лісопосадками.

Вуглець постійно циркулює в земній біосфері по замкнутих взаємопов'язаним шляхах. В даний час до природних процесів додаються наслідки спалювання викопного палива.

Література:

  1. Ахметов Н.С. Хімія 9 клас: навч. для загальноосвіт. навч. закладів. - 2-е вид. - М.: Просвещение, 1999. - 175 с.: Іл.

  2. Габрієлян О.С. Хімія 9 клас: навч. для загальноосвіт. навч. закладів. - 4-е вид. - М.: Дрофа, 2001. - 224 с.: Іл.

  3. Габрієлян О.С. Хімія 8-9 класи: метод. посібник. - 4-е вид. - М.: Дрофа, 2001. - 128 с.

  4. Єрошин Д.П., Шишкін Е.А. Методика рішення задач з хімії: навч. посібник. - М.: Просвещение, 1989. - 176 с.: Іл.

  5. Кременчуцька М. Хімія: Довідник школяра. - М.: філол. т-во «СЛОВО»: ТОВ «Изд-во АСТ», 2001. - 478 с.

  6. Кріцман В.А. Книга для читання з неорганічної хімії. - М.: Просвещение, 1986. - 273 с.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Реферат
60.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Неорганічні сполуки Основні закони хімії та їх наслідки
Азот та його сполуки
Азот та його сполуки
Фосфор і його сполуки
Залізо та його сполуки на уроках хімії
Вуглець
Вуглець 2
Неорганічні теплоізоляційні матеріали
Неорганічні матеріали - скло кераміка
© Усі права захищені
написати до нас