Химические свойства углерода

О бе модификации углерода (алмаз и графит) химически весьма инертны. Мелкокристаллические формы графита – кокс, сажа, активированный уголь – более реакционноспособны, но, как правило, после их предварительного нагревания до высокой температуры. Углерод проявляет восстановительные свойства.

1. Реакции с более электроотрицательными неметаллами

   1. Взаимодействие с кислородом

С_{(графит)} + О_{2 (г)} ═ СО_{2 (г)}

2С + О₂ = 2СО

Сжигание угля – один из важнейших источников энергии.

2. Взаимодействие с фтором и серой

С + 2F₂ CF₄ тетрафторид углерода

C + 2S CS₂ сероуглерод

2. Реакции с оксидами металлов (карботермия)

Кокс – один из важнейших восстановителей, используемых в промышленности. В металлургии с его помощью получают металлы из их оксидов, например:

2С + Fe₂O₃ 2Fe + 3CO

При взаимодействии углерода с оксидами щелочных и щелочноземельных металлов восстановленный металл, соединяясь с углеродом, образует карбид. Например:

3C + CaO CaC₂ + CO

3. Реакции с кремнеземом

Кокс применяется также для получения кремния:

2С + SiO₂ Si + 2CO

При избытке кокса образуется карбид кремния (карборунд) SiC.

4. Получение «водяного газа» (газификация твердого топлива)

Пропусканием водяного пара через раскаленный уголь получают горючую смесь СО и Н₂, называемую водяным газом:

С + Н₂О СО + Н₂

5. Реакции с окисляющими кислотами

Активированный или древесный уголь при нагревании восстанавливает анионы NO₃^- и SO₄^2- из концентрированных кислот:

C + 4HNO₃ CO₂↑ + 4NO₂↑ + 2H₂O

C + 2H₂SO₄ CO₂↑ + 2SO₂↑ + 2H₂O

6. Реакции с расплавленными нитратами щелочных металлов

В расплавах KNO₃ и NaNO₃ измельченный уголь интенсивно сгорает с образованием ослепительного пламени:

5C + 4KNO₃ 2K₂CO₃ + 3CO₂↑ + 2N₂↑

6. С – малоактивный окислитель:

С⁰ + 4ē → С^-4

Образование солеобразных карбидов с активными металлами.

Значительное ослабление неметаллических свойств у углерода выражается в том, что функции его как окислителя проявляются в гораздо меньшей степени, чем восстановительные функции.

Только в реакциях с активными металлами атомы углерода переходят в отрицательно заряженные ионы С^-4 и (С≡С)^2-, образуя солеобразные карбиды:

3С + 4Al Al₄C₃ карбид алюминия

2C + Ca CaC₂ карбид кальция

Карбиды ионного типа – очень нестойкие соединения, они легко разлагаются под действием кислот и воды, что свидетельствует о неустойчивости отрицательно заряженных анионов углерода:

Al₄C₃ + 12H₂O = 3CH₄↑ + 4Al(OH)₃

CaC₂ + 2H₂O = C₂H₂↑ + Ca(OH)₂

6. Образование ковалентных соединений с металлами

В расплавах смесей углерода с переходными металлами образуются карбиды преимущественно с ковалентным типом связи. Молекулы их имеют переменный состав, а вещества в целом близки к сплавам. Такие карбиды отличаются высокой устойчивостью, они химически инертны по отношению к воде, кислотам, щелочам и многим другим реагентам.

6. Взаимодействие с водородом

При высоких температуре и давлении, в присутствии никелевого катализатора, углерод соединяется с водородом:

С + 2H₂ CH₄