Углерод, распространение в природе, физические и химические свойства

Научиться объяснять строение и свойства алмаза и графита, а также составлять уравнения реакций, характеризующих химические свойства углерода.

Углерод — это основа всех живых организмов, топлива (уголь, нефть, газ), строительных материалов (известняк, мрамор) и множества полезных ископаемых. Понимание его свойств помогает объяснить круговорот веществ в природе, использование угля в металлургии и создание новых материалов (например, графена).

• Углерод — химический элемент IV группы главной подгруппы, 2-го периода, его атом содержит 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов.
• Углерод образует два простых вещества — алмаз и графит, которые являются аллотропными модификациями.
• Алмаз — самое твёрдое природное вещество, а графит — мягкий, слоистый материал, проводящий электрический ток.
• Химические свойства углерода зависят от температуры и условий реакции: при нагревании он взаимодействует с кислородом, водородом, металлами и оксидами.
• Углерод проявляет восстановительные свойства, реагируя с кислородом и оксидами металлов, и окислительные — при реакции с металлами и водородом.
• Адсорбция — способность активированного угля поглощать газы и растворённые вещества, используется в медицине и промышленности.

Аллотропия

Явление существования одного химического элемента в виде нескольких простых веществ, различающихся по строению и свойствам.

Алмаз

Прозрачный кристалл, в котором каждый атом углерода связан с четырьмя другими прочными ковалентными связями, образуя трёхмерную решётку.

Графит

Мягкое серо-чёрное вещество, состоящее из плоских слоёв атомов углерода, связанных слабыми силами.

Адсорбция

Поглощение газов или растворённых веществ поверхностью твёрдого тела (например, активированного угля).

Восстановитель

Вещество, отдающее электроны в химической реакции, при этом само окисляясь.

Окислитель

Вещество, принимающее электроны в химической реакции, при этом само восстанавливаясь.

• Углерод в природе встречается в свободном виде (алмаз, графит) и в соединениях: углекислый газ (CO₂), известняк (CaCO₃), природный газ (CH₄), нефть, каменный уголь.
• Алмаз и графит — аллотропные модификации углерода, но их свойства противоположны: алмаз — диэлектрик, графит — проводник электричества.
• При нагревании углерод реагирует с кислородом: C + O₂ → CO₂ (при избытке кислорода) или 2C + O₂ → 2CO (при недостатке).
• Углерод восстанавливает металлы из их оксидов, например: 2CuO + C → 2Cu + CO₂↑ (это основа доменного процесса).
• С водородом углерод образует ацетилен: 2C + H₂ → C₂H₂ (при высокой температуре, в электрической дуге).
• С металлами углерод образует карбиды, например: Ca + 2C → CaC₂ (карбид кальция).

1. Пример 1случай

   Карандашный грифель

   Пояснение

   • это графит, смешанный с глиной
   • Слои графита легко скользят друг относительно друга, оставляя след на бумаге
2. Пример 2случай

   Бриллианты

   Пояснение

   • это огранённые алмазы, используемые в ювелирных украшениях
   • Их твёрдость позволяет резать стекло и сверлить горные породы
3. Пример 3случай

   Древесный уголь, используемый для розжига мангала,

   Пояснение

   • это почти чистый углерод, который при горении выделяет много тепла
4. Пример 4реакция
   • В доменной печи кокс (углерод) восстанавливает железо из руды: Fe₂O₃ + 3C → 2Fe + 3CO↑. Это основа производства чугуна

• Алмаз и графит состоят из одного и того же элемента — углерода, но выглядят и ведут себя совершенно по-разному. Алмаз — самый твёрдый природный минерал, а графит настолько мягок, что оставляет след на бумаге.
• Активированный уголь, который мы принимаем при отравлении, — это специально обработанный углерод с огромной поверхностью, способной поглощать токсины.
• Графен — один слой графита толщиной в один атом — в 200 раз прочнее стали и является лучшим проводником электричества, что открывает перспективы для создания сверхбыстрых электронных устройств.

• При горении углерода в недостатке кислорода образуется угарный газ (CO) — ядовитое вещество, поэтому нельзя сжигать уголь в закрытых помещениях без вентиляции.
• При работе с активированным углём не вдыхать пыль, так как она может вызвать раздражение дыхательных путей.

• Кислород и сера (неметаллы IV и VI групп)
• Оксиды углерода (CO и CO₂)
• Угольная кислота и её соли (карбонаты)
• Органическая химия (углеводороды)