Конспект урока: Общая характеристика элементов IVА-группы. Углерод. Кислородные соединения углерода

На внешнем электронном слое элементов IVA-группы располагаются четыре электрона. Для того, чтобы достичь устойчивого восьмиэлектронного состояния, им можно как присоединить четыре электрона, так и отдать четыре электрона. От чего зависит будет элемент отдавать электроны или принимать? От радиуса атома. Если радиус больше, электроны слабее связаны с ядром, следовательно, элементу легче их отдать. К таким элементам из IVA-группы относятся олово и свинец – металлы. Кремний и углерод имеют небольшие радиусы и относятся к неметаллам. А германий сочетает в себе свойства металла и неметалла.

Строение атома углерода

Рисунок 1. Строение атома углерода

Углерод находится под шестым порядковым номером. 

 

В его ядре содержится шесть протонов, а в электронной оболочке – шесть электронов. Как уже было сказано, элементы IVA-группы, в том числе углерод, могут отдавать электроны, приобретая степень окисления +4 (она является максимальной). Также углерод может отдать только два электрона, приобретая степень окисления +2. 

 

Минимальная степень окисления равна −4. Ее могут принимать из IVA-группы только углерод и кремний.

Нахождение углерода в природе

В свободном состоянии на Земле углерод встречается в виде алмаза и графита.

Рисунок 2. Графит

В виде соединений углерод можно обнаружить в составе:
 

• нефти;
• природного газа;
• горючих сланцев;
• карбонатных минералов;
• органических веществ.

Хорошо известный вам углекислый газ – это оксид углерода (IV). Он содержится в атмосфере планеты и в природных водах в растворенном виде. Играет важную роль в круговороте углерода, участвуя в процессах дыхания и фотосинтеза.

Углерод как простое вещество
 

Рисунок 3. Алмаз и ограненный алмаз - бриллиант

Важнейшими и самыми распространенными аллотропными модификациями углерода являются графит и алмаз. На данный момент исследованы еще такие аллотропные модификации, как графен, карбин, фуллерены и пр.

 

Алмаз – прозрачное кристаллическое вещество, самое твердое из всех природных веществ. В чем причина такой твердости алмаза? Все дело в особой структуре атомной решетки, в которой каждый атом окружен четырьмя такими же атомами, расположенными в вершинах тетраэдра (рис.4).

Рисунок 4. Модели кристаллических решеток алмаза и графита

По цвету кристаллы алмаза чаще всего бесцветные, но за счет различных примесей могут приобретать окраску: синюю, голубую, красную или черную. Обладают очень сильным блеском.

 

Алмазы используют не только для изготовления ювелирных изделий. Благодаря высокой твердости их применяют для изготовления буров, свёрл, шлифовальных инструментов.

Графит – вещество темно-серого цвета, жирное на ощупь, имеет металлический блеск. В отличие от алмаза, графит очень мягкий, обладает хорошей тепло- и электропроводностью. Такая структура объясняется слоистым строением кристаллической решетки (рис.4). Атомы в кристаллической решетке лежат в одной плоскости и образуют прочные шестиугольники, но сами связи между слоями достаточно слабые.

Также различают аморфный углерод. По структуре он напоминает графит, но главное отличие в том, что в аморфном углероде атомы расположены не упорядоченно, а хаотично. К разновидностям аморфного углерода относятся сажа и древесный уголь.

Сажу получают при термическом разложении метана ${\mathrm{CH}}_4$ – вещества, которое является основной составляющей природного газа. Ее используют в промышленности для изготовления резины и химических источников тока.

Древесный уголь получают при нагревании кусочков древесины при высокой температуре без доступа воздуха. По структуре он пористый с большим количеством полостей, каналов и пустот. Благодаря этому у древесного угля есть способность к адсорбции, то есть к поглощению газов и растворенных веществ. Уголь с повышенной способностью к адсорбции называют активированным.

В металлургии углерод используют как восстановитель. Его получают из коксующихся углей – это особый вид каменного угля. Кокс – практически чистый углерод.

В результате коксования каменного угля получают: коксовый газ, каменноугольную смолу, аммиачную воду.

Химические свойства углерода

При нормальных условиях углерод – малоактивное вещество. При температуре 600-700°С горит, образуя углекислый газ:
 

$\mathrm{C}\left(\mathrm{алмаз}\right) + {\mathrm{O}}_2 = {\mathrm{СО}}_2$

Углерод –  хороший восстановитель в реакциях со сложными веществами-окислителями:
 

$\mathrm{C} + 4{\mathrm{HNO}}_3(\mathrm{конц}., \mathrm{гор}.) = {\mathrm{CO}}_2\uparrow + 4{\mathrm{NO}}_2\uparrow + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Как мы уже говорили углерод используют в качестве восстановителя в металлургии:
 

$3\mathrm{С} + {\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3 = 2\mathrm{Fe} + 3\mathrm{CO}\uparrow$

Углерод –  окислитель :

1. взаимодействие с металлами с образованием карбидов:
 

$\mathrm{Ca} + 2\mathrm{C} \stackrel{\mathrm{t}}{=} {\mathrm{CaC}}_2$

2. взаимодействие с неметаллами с меньшим значением электроотрицательности:
 

${\mathrm{Si}}^0 + {\mathrm{C}}^0 = {\mathrm{Si}}^{+4}{\mathrm{C}}^{-4}$

${\mathrm{C}}^0 + 2{{\mathrm{H}}_2}^0 = {\mathrm{C}}^{-4}{{\mathrm{H}}_4}^{+1}$

При взаимодействии углерода и водорода образуется метан.