ВЪГЛЕРОД И НЕГОВИ НЕОРГАНИЧНИ СЪЕДИНЕНИЯ

Въглерод и неговият кръговрат

В този урок ще научите:

  • какво е мястото на въглерода в периодичната таблица и какъв е строежът на атома;
  • какви физични свойства притежава въглеродът;
  • какви химични свойства са характерни за въглерода;
  • какво е приложението на въглерода.

1. Какво е мястото на въглерода в периодичната таблица и какъв е строежът на атома?

Въглеродът е четвъртият най-разпространен по маса елемент във Вселената след водорода, хелия и кислорода. Поредният номер на химичния елемент въглерод е Z = 6, което означава, че има 6 p+ в атомното ядро и 6 e– в електронната обвивка на атома. Въглеродът се намира във 2 период и IV А (14.) група на периодичната таблица. Ето защо електронните слоеве са два, а броят на електроните във външния, валентен електронен слой – четири (фиг. 1).
Фиг. 1. Модел на атома на въглерода
Електроните от външния слой са групирани в една електронна двойка и два единични електрона. Следователно елементът може да проявява втора валентност. В условията на свързване обаче електронната двойка от външния електронен слой може да се разкъса и атомът преминава в т.нар. възбудено състояние с 4 единични електрона (фиг. 2). Следователно в съединенията си елементът може да проявява и четвърта валентност.
Фиг. 2. Основно и възбудено състояние на въглеродния атом
Малкият атомен радиус и големият брой валентни електрони определят въглерода като неметал. Това се потвърждава и от свойствата на неговите прости вещества и химични съединения.

2. Какви физични свойства притежава въглеродът?

В природата въглеродът съществува под формата на три прости вещества: графит, диамант и аморфен въглерод. По изкуствен път са получени и други форми на въглерода: фулерени, нанопяна, нанотръби, графен и други. Строежът и физичните свойствата на някои от простите вещества на въглерода са представени в таблица 1.
Таблица 1. Строеж и физични свойства на някои от простите вещества на въглерода

3. Какви химични свойства са характерни за въглерода?

При обикновени условия простите вещества на въглерода имат малка реакционна способност поради здравите ковалентни връзки. При висока температура активността на алотропните модификации нараства. Най-голяма химична активност има активният въглен.
● Взаимодействие с водород
Въглеродът взаимодейства с водород при нагряване и в присъствие на катализатор никел. Получава се газообразното вещество метан, който е основна част на природния газ.
С водорода въглеродът образува голям брой съединения, които се наричат въглеводороди.
● Взаимодействие с кислорода
В зависимост от количеството на кислорода в реакционната смес, както вече знаете, се получават два оксида на въглерода. – При недостиг на кислород (непълно горене) се получава въглероден оксид, в който въглеродът е от втора валентност.
– При излишък на кислород (пълно горене) се получава въглероден диоксид, в който въглеродът е от четвърта валентност.
Реакцията протича с отделяне на голямо количество топлина. Известно ви е, че горенето е изключително важен за практиката процес и се приема като начин за получаване на енергия. И при двете взаимодействия с кислорода въглеродът се окислява.
Фиг. 3. Горене на въгленче
● Взаимодействие с неметали

При стайна температура въглеродът взаимодейства единствено с флуора – получава се CF4. С хлора, сярата, силиция и др. взаимодейства при висока температура.

● Взаимодействие с метали

Въглеродът взаимодейства с активни метали при висока температура, като се получават солеобразни карбиди – Al4C3, CaC2, Na2C2 и др.

● Взаимодействие с метални оксиди

При висока температура въглеродът взаимодейства с метални оксиди, като се свързва с кислорода и се получават метал и въглероден оксид.

Под формата на кокс въглеродът се използва в металургията за редуциране на металните оксиди и получаване на метали. Въглеродът е добър редуктор.

● Взаимодействие с вода

Въглеродът взаимодейства с водни пàри при нагряване.

При продухване на нагрята водна пара през слой от накалени въглища в газгенератор се получава т.нар. воден газ (смес от въглероден оксид и водород). Този газ е висококалоричен, тъй като съдържа две газови горива – водород и въглероден оксид. Водният газ се използва не само като енергиен източник, но и като суровина за синтез на ценни съединения.

4. Какво е приложението на въглерода?

Въглеродът намира широко приложение в практиката. Това се дължи на простите му вещества, които значително се различават по свойствата си. Смесен с глина, графитът се използва за направата на моливи. Тъй като е мазен на пипане (това свойство се съхранява и при високи, и при ниски температури), той се използва като смазка. От него се изработват тигли за изливане на метали. Заради електропроводимостта му графитът се използва за изработване на електроди. Той намира приложение и в ядрените реактори.
Изключителната твърдост на диаманта го прави подходящ за направата на режещи инструменти и инструменти за сондиране. Когато е шлифован, прозрачният кристал силно пречупва светлината. Добре обработените прозрачни диаманти, наречени брилянти, се използват в бижутерията.
Въглеродът намира приложение и в металургията. Под формата на кокс се използва за получаване на метали от техните оксиди. Саждите се употребяват за приготвяне на бои и тушове, както и в каучуковата промишленост като пълнители.

Решете задачите

Въглерод