Углерод и его соединения

Общая характеристика элементов IV группы
Углерод:
Строение и аллотропия
Химические свойства
Круговорот в природе
Оксиды углерода:
Угарный газ
Углекислый газ
Угольная кислота и её соли

Общая характеристика элементов
IV группы

Углерод

Его также называют фуллерен.

Структуры алмаза (а), графита (б) и фуллерена (в)

Кристаллические решётки алмаза (а) и графита (б)
а

Химические свойства
При высоких температурах углерод окисляет водород и металлы. В реакциях с кислородом и оксидами металлов проявляет восстановительные свойства.

Взаимодействие с неметаллами

При нагревании углерод соединяется с кислородом, образуя оксид углерода (IV), или углекислый газ:
С + O2 = CO2
При недостатке кислорода образуется оксид углерода (II), или угарный газ:
2С + О2 = 2СО
С водородом углерод соединяется только при высоких температурах и в присутствии катализаторов. В зависимости от температуры образуются различные углеводороды, например, метан:
С + 2H2 = CH4
Углерод взаимодействует при нагревании с серой и фтором, в электрической дуге с азотом:
С + 2S = CS2
С + 2F2 = CF4
2С + N2 = (CN)2

Углерод – сильный восстановитель.
При нагревании с водяным паром он вытесняет из воды водород:
Н2O + С = СО + Н2
При нагревании углерода с оксидом углерода (IV) образуется угарный газ:
С + СО2 = 2СО
Углерод восстанавливает многие металлы из их оксидов:
2Fe2O3 + 3С = 4Fe + 3CO2
С металлами или их оксидами углерод образует карбиды:
CaO + 3C = CaC2 + СО

При взаимодействии с металлами углерод образует карбиды

Углерод в виде сажи, кокса, древесного угля, костных углей широко используется
в металлургии, синтезе органических веществ, как топливо, в быту.

Оксиды углерода

Оксид углерода (II),
иначе угарный газ – бесцветный, не имеющий запаха, плохо растворимый в воде ядовитый газ, относится к несолеобразующим оксидам.
Молекулы СО очень прочны, поскольку связь между атомами углерода и кислорода в них тройная.
Для оксида углерода (II) характерны восстановительные свойства. Например, он восстанавливает металлы из оксидов:
CuO + CO = Cu + CO2
На воздухе угарный газ горит:
2CO + O2 = 2CO2

При взаимодействии со щёлочью, образуется формиат

Получение угарного газа

Применение СО

Оксид углерода (IV),
или углекислый газ, – газ без цвета и запаха. Это кислотный оксид, ему соответствует двухосновная угольная кислота.
Растворение оксида углерода (IV) – обратимый процесс:
H2O + CO2 ↔ H2CO3
Для углекислого газа не характерны ни окислительные, ни восстановительные свойства, хотя некоторые наиболее активные металлы горят в оксиде:
CO2 + 2Mg = 2MgO + С

Являясь кислотным оксидом, СО2 проявляет характерные свойства

Окислительно-восстановительные реакции СО2

В лаборатории оксид углерода (IV) получают взаимодействием карбоната кальция (мел, мрамор)
с соляной кислотой в аппаратах Киппа:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2
В промышленности этот оксид получают сжиганием угля и при обжиге известняка:
С + O2 = CO2
CaCO3 = CaO + CO2
Получение СО2

Реакция СО2 с известковой водой (помутнение раствора из-за образования осадка СаСО3) является качественной реакцией.

Применение СО2

Фотосинтез

Угольная кислота и её соли

Угольная кислота – соединение крайне непрочное и распадается на CO2 и H2O уже в момент образования:

В отличие от угольной кислоты её соли (карбонаты и гидрокарбонаты) более устойчивы. Они широко распространены в природе и находят практическое применение.

В водных растворах карбонаты и гидрокарбонаты подвергаются гидролизу по аниону: