Вопрос 38. Химические свойства углерода.

Углеро́д (химический символ — C,)— химический элемент 4-ой группы главной подгруппы 2-го периода периодической системы Менделеева, порядковый номер 6, атомная масса — 12,0107.

Химические свойства

При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких температурах соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300—500 °C, 600—700 °C и 850—1000 °C.

Степени окисления +4 (напр., CO2), −4 (напр., CH4), редко +2 (СО, карбонилы металлов), +3 (C2N2); сродство к электрону 1,27 эВ; энергия ионизации при последовательном переходе от С0 к С4+ соответственно 11,2604, 24,383, 47,871 и 64,19 эВ.

Неорганические соединения

Углерод реагирует со многими элементами. Соединения с неметаллами имеют свои собственные названия — метан, тетрафторметан.

Продукты горения углерода в кислороде являются CO и CO2 (монооксид углерода и диоксид углерода соответственно). Известен также неустойчивый недооксид углерода С3О2 (температура плавления −111 °C, температура кипения 7 °C) и некоторые другие оксиды (например C12O9, C5O2, C12O12). Графит и аморфный углерод начинают реагировать с водородом при температуре 1200 °C, с фтором при 900 °C.

Углекислый газ реагирует с водой, образуя слабую угольную кислоту — H2CO3, которая образует соли — карбонаты. На Земле наиболее широко распространены карбонаты кальция (минеральные формы — мел, мрамор, кальцит, известняк и др.) и магния (минеральная форма доломит).

Графит с галогенами, щелочными металлами и др. веществами образует соединения включения. При пропускании электрического разряда между угольными электродами в атмосфере азота образуется циан. При высоких температурах взаимодействием углерода со смесью Н2 и N2 получают синильную кислоту:

При реакции углерода с серой получается сероуглерод CS₂, известны также CS и C₃S₂. С большинством металлов углерод образует карбиды, например:

Важна в промышленности реакция углерода с водяным паром:

При нагревании углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. Данное свойство широко используется в металлургической промышленности.

Органические соединения

Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

Вопрос 39. Химические свойства, получение угольной кислоты, химические свойства солей угольной кислоты.

У́гольная кислота́ — слабая двухосновная кислота с химической формулой  . В водных растворах неустойчива. Образуется в малых количествах при растворении углекислого газа в воде, в том числе и углекислого газа из воздуха. Образует ряд устойчивых неорганических и органических производных: соли (карбонаты и гидрокарбонаты), сложные эфиры,амиды и др.

Химические свойства

Равновесие в водных растворах и кислотность

Угольная кислота существует в водных растворах в состоянии равновесия с гидратом диоксида углерода:

, константа равновесия при 25 °C 

Скорость прямой реакции 0,039 с⁻¹, обратной — 23 с⁻¹.

В свою очередь растворённый гидрат диоксида углерода находится в равновесии с газообразным диоксидом углерода:

Данное равновесие при повышении температуры сдвигается вправо, а при повышении давления — влево

Угольная кислота подвергается обратимому гидролизу, создавая при этом кислую среду:

, константа кислотности при 25 °C 

Однако, для практических расчётов чаще используют кажущуюся константу кислотности, учитывающую равновесие угольной кислоты с гидратом диоксида углерода:

Гидрокарбонат-ион подвергается дальнейшему гидролизу по реакции

, константа кислотности при 25 °C 

Таким образом, в растворах, содержащих угольную кислоту, создается сложная равновесная система, которую можно изобразить в общем виде следующим образом:

Значение pH в такой системе, соответствующей насыщенному раствору диоксида углерода в воде при 25 °C и давлении 760 мм рт. ст., можно рассчитать по формуле:

, где L = 0,034 моль/л — растворимость CO₂ в воде при указанных условиях.

Разложение

При повышении температуры раствора и/или понижении парциального давления диоксида углерода равновесие в системе   смещается влево, что приводит к разложению части угольной кислоты на воду и диоксид углерода. При кипении раствора угольная кислота разлагается полностью:

Na+ кальцинированная сода  K+ поташ NH4+   Ca2+ мел   Mg2+ доломит

Na+ питьевая сода K+ NH4+ Ca2+ Mg2+

Общие химические свойства солей угольной кислоты.

а) Все соли угольной кислоты разлагаются по схемам:

MeCO₃ → MeO + CO₂ (исключение карбонаты щелочных металлов)

MeHCO₃ → MeCO₃ + CO₂ + H₂O

б) Все соли взаимодействуют с кислотами – дают качественную реакцию на ионы CO₃^2- и HCO₃ ^-

MeCO₃ + H_nKO → MeKO + CO₂↑ + H₂O

MeHCO₃ + H_nKO → MeKO + CO₂↑ + H₂O

в) Карбонаты превращаются в гидрокарбонаты при избытке углекислого газа и воды. Эта реакция является причиной разрушения зданий, построенных из известняка, под действием окружающей среды: от дождя и углекислого газа, содержащегося в воздухе, нерастворимые карбонаты превращаются в растворимые гидрокарбонаты.

MeCO₃ + CO₂ + H₂O → MeHCO₃

г) Растворы солей угольной кислоты взаимодействуют с растворами других солей, если образуется нерастворимые вещества.