Південно-Уральський державний університет
Кафедра ЄП
Характеристика хімічного елемента
№ 6 Вуглець
Виконав:
студент групи ММВ-335
Коробатов М. В.
Перевірив викладач:
Мельниченко В. Г.
м. Міасс 2006
Історія відкриття.
Карбон відомий з глибокої давнини. Деревне вугілля служило для відновлення металів з руд, алмаз - як коштовний камінь. Значно пізніше стали застосовувати графіт для виготовлення олівців.
У 1778 К. Шеєле, нагріваючи графіт з селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля з селітрою, виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмаза був встановлений в результаті дослідів А. Лавуазьє (1772) з вивчення горіння алмаза на повітрі і досліджень С. Теннанта (1797), довів, що однакові кількості алмаза і вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. Вуглець був визнаний хімічним елементом у 1789 Лавуазьє. Латинська назва carboneum Вуглець отримав від carbo - вугілля. [1].
2. Поширення вуглецю в природі, включаючи живі організми.
За вмістом у земній корі вуглець займає 17-е місце серед елементів: на його частку доводиться близько 0,14 ат. % Від загального числа атомів земної кори. Разом з тим значення вуглецю надзвичайно велике, тому що його сполуки є основою всіх живих організмів. У середньому живі організми, що становлять біосферу, на 18 вагу. % Складаються з вуглецю (у тілі людини 19,37% вуглецю).
Більша частина вуглецю зосереджена в природних карбонатах (СаСО 3 - вапняк, мармур, крейда, СаСО 3 • МgСО 3 - доломіт, МgС0 3 - магнезит) і в горючих копалин (нафта, кам'яне і буре вугілля, торф, горючі сланці, природні горючі гази ). До складу атмосфери вуглець входить у вигляді вуглекислого газу СО 2 (0,03 об.%), В розчиненому стані СO 2 знаходиться в природних водах (у гідросфері його в 60 разів більше, ніж в атмосфері).
Вільний вуглець зустрічається у вигляді алмазу, графіту і так званого аморфного вуглецю (Дрібнодисперсний графіт, основні різновиди - вугілля і сажа). Деякі кам'яні вугілля на 98% складаються з вуглецю. [2].
Аналіз суперечностей.
У джерелі [2] написано що, деякі кам'яні вугілля на 98% складаються з вуглецю, а в джерело [5] написано що, деякі з викопного вугілля містять 99% вуглецю.
Я вважаю вірним літературний джерело [2], так як він більш новий (2003 р.).
3. Фізичні властивості.
Вуглець є першим елементом у четвертій групі періодичної системи. Його атомна вага 12,01115. [5].
Алотропні модифікації вуглецю - алмаз і графіт - різко відрізняються за фізичними властивостями.
Алмаз - прозорі кристали, дуже тверді. Твердість алмаза пояснюється будовою його кристалічної решітки, чотири валентних електрони кожного атома вуглецю в алмазі утворюють міцні ковалентні зв'язки з іншими атомами вуглецю. Кристалічна решітка алмаза має тетраедричних будову. Відстань між усіма атомами вуглецю однакове. Щільність алмазу дорівнює 3,51 г / см 3. Алмаз проводить електричний струм, так як в його кристалічній решітці відсутні вільні електрони.
Графіт - м'яке темно-сіра речовина з металевим блиском. Щільність його коливається від 2,17 до 2,3 г / см 3. Кристалічна решітка графіту має складну шарувату будову. Відстань між шарами в кристалі графіту більше відстані між сусідніми атомами вуглецю в одній площині в 2,5 рази, тому зв'язок між атомами вуглецю в одному шарі набагато міцніше, ніж зв'язок між атомами вуглецю, що знаходяться в різних шарах. Кожен атом вуглецю в кристалічній решітці
графіту утворює три міцні ковалентні зв'язки з атомами вуглецю, розташованими в тому ж шарі. В освіті цих зв'язків беруть участь три електрони атома вуглецю, а четвертий валентний електрон є відносно вільним. Наявність вільних електронів обумовлює електропровідність графіту. [3].
Вугілля (особливо деревне) має великий адсорбційну здатність. Адсорбційна здатність вугілля обумовлюється його пористістю. Чим більше пір, тим більше поверхня вугілля і тим більше адсорбційна здатність. Зазвичай пори деревного вугілля частково заповнені різними речовинами, що знижує його адсорбційну здатність. Для посилення адсорбції вугілля піддають спеціальній обробці - нагрівають в струмені водяної пари, щоб звільнити його пори від забруднюючих речовин. Оброблений таким чином вугілля називається активним. [4].
4. Хімічні властивості.
З аллотропических видозмін вуглецю легше інших вступає в реакцію аморфний вугілля.
З киснем вуглець утворює два головних оксиду - двоокис вуглецю, або вугільний ангідрид, часто званий також вуглекислим газом СО 2, і окис вуглецю СО. Крім них, відомі ще окисли складу З 3 О 2 і З 12 О 9.
При дуже високих температурах вуглець з'єднується з воднем, сіркою, кремнієм, бором і багатьма металами. [5].
При звичайній температурі вугілля досить інертний. Його хімічна активність виявляється лише при високих температурах. В якості окислювача вугілля реагує з деякими металами і неметалами. Сполуки вуглецю з металами називаються карбідами.
Наприклад:
4А1 + ЗС = Al 4 З 3
карбід
алюмінію
Велике практичне значення має карбід кальцію, який виходить нагріванням вапна СаО та коксу в електропечах:
СаО + ЗС = Сас 2 + СО
Карбід кальцію
З воднем вугілля у присутності нікелевого каталізатора і при нагріванні утворює метан - основну складову частину природних горючих газів:
З + 2H 2 = СH 4
Однак для вугілля більш характерні реакції, в яких він проявляє відновні властивості. Це має місце при повному згорянні вуглецю будь аллотропной модифікації:
С + О 2 = СО 2
Вугілля відновлює залізо, мідь, цинк., Свинець та інші метали з їх оксидів, що широко використовується в металургії при отриманні цих металів. Наприклад:
2ZnО + С = 2Zn + СО 2
Дуже важливе хімічна властивість вуглецю - здатність його атомів утворювати міцні зв'язки між собою - вуглецеві ланцюги. [4].
5. Отримання вуглецю.
Вугілля.
При термічному розкладанні вуглецевих сполук утворюється чорна маса - вугілля і виділяються летючі продукти. Вугілля являє собою тонкоподрібнений графіт. Найбільш важливими сортами вугілля є кокс, деревне вугілля та сажа.
Кокс.
Кокс виходить при нагріванні кам'яного вугілля без доступу повітря.
Деревне угль виходить при обвуглювання деревини (нагрівання без доступу або при незначному доступі повітря).
Сажа.
Сажа виходить з вуглеводнів (природного газу, ацетилену, скипидару та ін) спалюванням їх при обмеженому доступі повітря (або термічним розкладанням за відсутності повітря). [4].
Двоокис вуглецю.
У лабораторіях двоокис вуглецю зазвичай отримують, діючи на мармур СаСОз соляною кислотою:
СаСО 3 + 2НС1 = СаС1 2 + Н 2 О + СО 2
У промисловості великі кількості двоокису вуглецю одержують як побічний продукт при випалюванні вапна:
СаСО 3 = СаО + СО 2 [5].
6. Застосування вуглецю і його сполук.
Технічні алмази застосовують для шліфування особливо твердих матеріалів і різання гірських порід. Великі алмази піддають огранюванню (отримують діаманти) і використовують в ювелірних прикрасах.
З графіту роблять електроди (у промисловому електролізі), сповільнювачі нейтронів у ядерних реакторах і грифелі олівців. Графіт використовують як мастильного матеріалу.
Кокс застосовують у металургії як відновника.
Сажу використовують як наповнювача при виробництві гуми і при виготовленні чорних фарб.
Високу адсорбційну здатність активованого вугілля (Дрібно подрібнений тонкопористих деревне вугілля) використовують для очищення речовин від домішок; в медицині - видалення із травного тракту розчинених шкідливих речовин і газів; в протигазах - для видалення шкідливих домішок з вдихуваного повітря.
Вуглекислий газ застосовують у виробництві соди, цукру, газованих напоїв. Твердий спресований вуглекислий газ (сухий лід) використовують при проведенні вибухових робіт на вугільних розробках (для збільшення корисної площі вибуху за рахунок миттєвого випаровування «сухого льоду»), для усунення хмарності (як центрів кристалізації для переохолодженої води, з крапельок якої складаються хмари) , а також для зберігання швидкопсувних продуктів.
Карбонат калію (поташ.) застосовують у виробництві рідкого мила, оптичного тугоплавкого скла.
Карбонат кальцію (Вапняк, мармур, крейда) широко використовують у будівництві. [2].
Аморфний вуглець і вигляді деревного вугілля і коксу, кам'яне вугілля, а також багато сполук вуглецю грають найважливішу роль в сучасному житті як джерела отримання різних видів енергії. При згорянні вугілля і містять вуглець сполук виділяється тепло, яке використовується для опалення. Більша ж частина одержуваного тепла перетворюється, інші види енергії і витрачається, на вчинення механічної роботи. [5].
7. Список використаної літератури.
1. Н. С. Ахметов. Загальна та неорганічна хімія. м. Москва видавництво Вища школа
1988 р .
2. О. О. Максименко. Хімія. Посібник для вступників до вузів. м. Москва видавництво
Ексмо 2003
3. А. С. Єгоров, К. П. Шацька, Н. М. Іванченко, В. Д. Діонісіїв, В. К. Єрмакова,
Л. В. Котельницька, І. Є. Слабченко, Р. В. Шевченко, К. Д. Шлюкер. Хімія. Посібник-
репетитор для вступників у вузи. м. Ростов-на-Дону видавництво Фенікс 2003
4. Г. П. Хомченко. Посібник з хімії для вступників до вузів. м. Москва видавництво
Нова Хвиля 2002 р .
5. Н. Л. Глинка. Загальна хімія. м. Ленінград видавництво Хімія 1972
Кафедра ЄП
Характеристика хімічного елемента
№ 6 Вуглець
Виконав:
студент групи ММВ-335
Коробатов М. В.
Перевірив викладач:
Мельниченко В. Г.
м. Міасс 2006
Історія відкриття.
Карбон відомий з глибокої давнини. Деревне вугілля служило для відновлення металів з руд, алмаз - як коштовний камінь. Значно пізніше стали застосовувати графіт для виготовлення олівців.
У 1778 К. Шеєле, нагріваючи графіт з селітрою, виявив, що при цьому, як і при нагріванні вугілля з селітрою, виділяється вуглекислий газ. Хімічний склад алмаза був встановлений в результаті дослідів А. Лавуазьє (1772) з вивчення горіння алмаза на повітрі і досліджень С. Теннанта (1797), довів, що однакові кількості алмаза і вугілля дають при окисленні рівні кількості вуглекислого газу. Вуглець був визнаний хімічним елементом у 1789 Лавуазьє. Латинська назва carboneum Вуглець отримав від carbo - вугілля. [1].
2. Поширення вуглецю в природі, включаючи живі організми.
За вмістом у земній корі вуглець займає 17-е місце серед елементів: на його частку доводиться близько 0,14 ат. % Від загального числа атомів земної кори. Разом з тим значення вуглецю надзвичайно велике, тому що його сполуки є основою всіх живих організмів. У середньому живі організми, що становлять біосферу, на 18 вагу. % Складаються з вуглецю (у тілі людини 19,37% вуглецю).
Більша частина вуглецю зосереджена в природних карбонатах (СаСО 3 - вапняк, мармур, крейда, СаСО 3 • МgСО 3 - доломіт, МgС0 3 - магнезит) і в горючих копалин (нафта, кам'яне і буре вугілля, торф, горючі сланці, природні горючі гази ). До складу атмосфери вуглець входить у вигляді вуглекислого газу СО 2 (0,03 об.%), В розчиненому стані СO 2 знаходиться в природних водах (у гідросфері його в 60 разів більше, ніж в атмосфері).
Вільний вуглець зустрічається у вигляді алмазу, графіту і так званого аморфного вуглецю (Дрібнодисперсний графіт, основні різновиди - вугілля і сажа). Деякі кам'яні вугілля на 98% складаються з вуглецю. [2].
Аналіз суперечностей.
У джерелі [2] написано що, деякі кам'яні вугілля на 98% складаються з вуглецю, а в джерело [5] написано що, деякі з викопного вугілля містять 99% вуглецю.
Я вважаю вірним літературний джерело [2], так як він більш новий (2003 р.).
3. Фізичні властивості.
Вуглець є першим елементом у четвертій групі періодичної системи. Його атомна вага 12,01115. [5].
Алотропні модифікації вуглецю - алмаз і графіт - різко відрізняються за фізичними властивостями.
Алмаз - прозорі кристали, дуже тверді. Твердість алмаза пояснюється будовою його кристалічної решітки, чотири валентних електрони кожного атома вуглецю в алмазі утворюють міцні ковалентні зв'язки з іншими атомами вуглецю. Кристалічна решітка алмаза має тетраедричних будову. Відстань між усіма атомами вуглецю однакове. Щільність алмазу дорівнює 3,51 г / см 3. Алмаз проводить електричний струм, так як в його кристалічній решітці відсутні вільні електрони.
Графіт - м'яке темно-сіра речовина з металевим блиском. Щільність його коливається від 2,17 до 2,3 г / см 3. Кристалічна решітка графіту має складну шарувату будову. Відстань між шарами в кристалі графіту більше відстані між сусідніми атомами вуглецю в одній площині в 2,5 рази, тому зв'язок між атомами вуглецю в одному шарі набагато міцніше, ніж зв'язок між атомами вуглецю, що знаходяться в різних шарах. Кожен атом вуглецю в кристалічній решітці
графіту утворює три міцні ковалентні зв'язки з атомами вуглецю, розташованими в тому ж шарі. В освіті цих зв'язків беруть участь три електрони атома вуглецю, а четвертий валентний електрон є відносно вільним. Наявність вільних електронів обумовлює електропровідність графіту. [3].
Вугілля (особливо деревне) має великий адсорбційну здатність. Адсорбційна здатність вугілля обумовлюється його пористістю. Чим більше пір, тим більше поверхня вугілля і тим більше адсорбційна здатність. Зазвичай пори деревного вугілля частково заповнені різними речовинами, що знижує його адсорбційну здатність. Для посилення адсорбції вугілля піддають спеціальній обробці - нагрівають в струмені водяної пари, щоб звільнити його пори від забруднюючих речовин. Оброблений таким чином вугілля називається активним. [4].
4. Хімічні властивості.
З аллотропических видозмін вуглецю легше інших вступає в реакцію аморфний вугілля.
З киснем вуглець утворює два головних оксиду - двоокис вуглецю, або вугільний ангідрид, часто званий також вуглекислим газом СО 2, і окис вуглецю СО. Крім них, відомі ще окисли складу З 3 О 2 і З 12 О 9.
При дуже високих температурах вуглець з'єднується з воднем, сіркою, кремнієм, бором і багатьма металами. [5].
При звичайній температурі вугілля досить інертний. Його хімічна активність виявляється лише при високих температурах. В якості окислювача вугілля реагує з деякими металами і неметалами. Сполуки вуглецю з металами називаються карбідами.
Наприклад:
4А1 + ЗС = Al 4 З 3
карбід
алюмінію
Велике практичне значення має карбід кальцію, який виходить нагріванням вапна СаО та коксу в електропечах:
СаО + ЗС = Сас 2 + СО
Карбід кальцію
З воднем вугілля у присутності нікелевого каталізатора і при нагріванні утворює метан - основну складову частину природних горючих газів:
З + 2H 2 = СH 4
Однак для вугілля більш характерні реакції, в яких він проявляє відновні властивості. Це має місце при повному згорянні вуглецю будь аллотропной модифікації:
С + О 2 = СО 2
Вугілля відновлює залізо, мідь, цинк., Свинець та інші метали з їх оксидів, що широко використовується в металургії при отриманні цих металів. Наприклад:
2ZnО + С = 2Zn + СО 2
Дуже важливе хімічна властивість вуглецю - здатність його атомів утворювати міцні зв'язки між собою - вуглецеві ланцюги. [4].
5. Отримання вуглецю.
Вугілля.
При термічному розкладанні вуглецевих сполук утворюється чорна маса - вугілля і виділяються летючі продукти. Вугілля являє собою тонкоподрібнений графіт. Найбільш важливими сортами вугілля є кокс, деревне вугілля та сажа.
Кокс.
Кокс виходить при нагріванні кам'яного вугілля без доступу повітря.
Деревне угль виходить при обвуглювання деревини (нагрівання без доступу або при незначному доступі повітря).
Сажа.
Сажа виходить з вуглеводнів (природного газу, ацетилену, скипидару та ін) спалюванням їх при обмеженому доступі повітря (або термічним розкладанням за відсутності повітря). [4].
Двоокис вуглецю.
У лабораторіях двоокис вуглецю зазвичай отримують, діючи на мармур СаСОз соляною кислотою:
СаСО 3 + 2НС1 = СаС1 2 + Н 2 О + СО 2
У промисловості великі кількості двоокису вуглецю одержують як побічний продукт при випалюванні вапна:
СаСО 3 = СаО + СО 2 [5].
6. Застосування вуглецю і його сполук.
Технічні алмази застосовують для шліфування особливо твердих матеріалів і різання гірських порід. Великі алмази піддають огранюванню (отримують діаманти) і використовують в ювелірних прикрасах.
З графіту роблять електроди (у промисловому електролізі), сповільнювачі нейтронів у ядерних реакторах і грифелі олівців. Графіт використовують як мастильного матеріалу.
Кокс застосовують у металургії як відновника.
Сажу використовують як наповнювача при виробництві гуми і при виготовленні чорних фарб.
Високу адсорбційну здатність активованого вугілля (Дрібно подрібнений тонкопористих деревне вугілля) використовують для очищення речовин від домішок; в медицині - видалення із травного тракту розчинених шкідливих речовин і газів; в протигазах - для видалення шкідливих домішок з вдихуваного повітря.
Вуглекислий газ застосовують у виробництві соди, цукру, газованих напоїв. Твердий спресований вуглекислий газ (сухий лід) використовують при проведенні вибухових робіт на вугільних розробках (для збільшення корисної площі вибуху за рахунок миттєвого випаровування «сухого льоду»), для усунення хмарності (як центрів кристалізації для переохолодженої води, з крапельок якої складаються хмари) , а також для зберігання швидкопсувних продуктів.
Карбонат калію (поташ.) застосовують у виробництві рідкого мила, оптичного тугоплавкого скла.
Карбонат кальцію (Вапняк, мармур, крейда) широко використовують у будівництві. [2].
Аморфний вуглець і вигляді деревного вугілля і коксу, кам'яне вугілля, а також багато сполук вуглецю грають найважливішу роль в сучасному житті як джерела отримання різних видів енергії. При згорянні вугілля і містять вуглець сполук виділяється тепло, яке використовується для опалення. Більша ж частина одержуваного тепла перетворюється, інші види енергії і витрачається, на вчинення механічної роботи. [5].
7. Список використаної літератури.
1. Н. С. Ахметов. Загальна та неорганічна хімія. м. Москва видавництво Вища школа
2. О. О. Максименко. Хімія. Посібник для вступників до вузів. м. Москва видавництво
Ексмо 2003
3. А. С. Єгоров, К. П. Шацька, Н. М. Іванченко, В. Д. Діонісіїв, В. К. Єрмакова,
Л. В. Котельницька, І. Є. Слабченко, Р. В. Шевченко, К. Д. Шлюкер. Хімія. Посібник-
репетитор для вступників у вузи. м. Ростов-на-Дону видавництво Фенікс 2003
4. Г. П. Хомченко. Посібник з хімії для вступників до вузів. м. Москва видавництво
Нова Хвиля
5. Н. Л. Глинка. Загальна хімія. м. Ленінград видавництво Хімія 1972