Соединения углерода с отрицательной степенью окисления.
С менее электроотрицательными, чем он сам, элементами углерод дает карбиды. Поскольку для углерода характерно образовывать гомоцепи, состав большинства карбидов не отвечает степени окисления углерода -4. По типу химической связи можно выделить ковалентные, ионно-ковалентные и металлические карбиды. Наиболее активные металлы (IA–IIIA подгрупп) образуют солеподобные карбиды, например Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. В промышленности карбид кальция получают из кокса и известняка по следующим реакциям:
Карбиды неэлектропроводны, почти бесцветны, гидролизуются с образованием углеводородов, например
CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2
Образующийся по реакции ацетилен C2H2 служит исходным сырьем в производстве многих органических веществ. Этот процесс интересен, так как он представляет переход от сырья неорганической природы к синтезу органических соединений. Карбиды, образующие при гидролизе ацетилен, называются ацетиленидами. В карбидах кремния и бора (SiC и B4C) связь между атомами ковалентная. Переходные металлы (элементы B-подгрупп) при нагревании с углеродом тоже образуют карбиды переменного состава в трещинах на поверхности металла; связь в них близка к металлической. Некоторые карбиды такого типа, например WC, W2C, TiC и SiC, отличаются высокой твердостью и тугоплавкостью, обладают хорошей электропроводностью. В качестве простейшего ковалентного карбида можно рассматривать метан.
Метан (CH4).Метан является основной частью газообразного топлива. Он выделяется при гниении органических остатков на болотах, является попутным газом при добыче нефти, и находиться в основном в недрах земной коры. Поэтому его иногда называют болотным и рудничным газом. Но скопление его в шахтах может вызвать сильнейшие взрывы. Химическое строение метана определяется sp3-гибридизацией атома углерода. Молекула метана представляет собой правильный тетраэдр, в центре которого находится атом углерода, а по вершинам атомы водорода.
Физические свойства метана. Метан – бесцветный газ, легче воздуха, почти не растворим в воде. Ниже в алфавитном порядке перечислены основные физические и физико-химические константы для недокиси углерода, в случае, когда не указываются температура или давление, то имеются в виду нормальные условия: t=0° C, p=101325 Па.
Химические свойства метана. В химическом отношении метан инертен, не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами.
1. С кислородом вступает в реакции только при нагревании. Температура самовозгорания метана – 537,8° С. Метан горит почти бесцветным, голубоватым пламенем:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O.
При мягком окислении метана можно получить метанол, муравьиную кислоту.
2. При повышении температуры до 1000° С метан устойчив, а выше этой температуры в зависимости от условий разлагается:
CH4 → C + 2H2,
2CH4 (1500° C, кат.)→ C2H2 + 3H2.
3. При сильном нагревании взаимодействует с серой и аммиаком:
CH4 + 4S (600° C)→ CS2 + 2H2S,
CH4 + NH3 (800° C, Pt)→ HCN + 3H2.
4. На свету происходит цепная реакция с хлором, которую суммарно можно представить, как:
CH4 + 4Cl2 → CCl4 + 4HCl.
Получение метана.
1. В лаборатории метан можно получить взаимодействием карбида алюминия с водой:
Al4C3 + 12H2O → 3CH4 + 4Al(OH)3.
Сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия:
CH3COONa + NaOH →CH4 + Na2CO3.
2. В промышленности метан получают взаимодействием углерода с водородом при повышенной температуре под действием катализатора:
C + 2H2 (500° C, Ni)→ CH4.
Применение метана. Метан применяется для получения синтез газа, ацетилена, синильной кислоты, метил- и метиленхлоридов, хлороформа, тетрахлорида углерода, технического углерода. В качестве топлива. Метан обладает слабым наркотическим действием.