Углерод и его соединеннияПоэтому все четыре АО принимают участие в образовании химических связей. Этим объясняется разнообразие и многочисленность соединений углерода. Подавляющее большинство соединений углерода относят к так называемым органическим веществам. В этом разделе рассмотрим свойства неорганических веществ, образуемых углеродом, - простых веществ, его оксидов, угольной кислоты и некоторых ее солей. Углерод образует несколько простых веществ. Среди них пока важнейшими считаются алмаз и графит. Эти аллотропные модификации имеют атомные кристаллические решетки, которые различаются своими структурами. Отсюда отличие их физических и химических свойств. В алмазе каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами. В пространстве эти атомы располагаются в центре и углах тетраэдров, соединенных своими вершинами. Это очень симметричная и прочная решетка. Алмаз – это самое твердое вещество на Земле. В графите каждый атом соединен с тремя другими, лежащими в той же плоскости. На образование этих связей затрачивается по три АО с тремя электронами. Четвертая орбиталь 2р-АО с одним электроном располагается перпендикулярно плоскости. Эти оставшиеся атомные орбиталь всей сетки перекрываются между собой, образуя зону молекулярных орбиталей. Эта зона занята не полностью, а наполовину, что обеспечивает металлическую электропроводность графита (в отличие от алмаза). Помимо электропроводности графит обладает еще тремя практически важными свойствами. Во-первых, тугоплавкость. Температура плавления графита выше 3500 ° С – это самое тугоплавкое простое вещество на Земле. Во-вторых, отсутствие на его поверхности каких-либо продуктов взаимодействия с окружающей средой (на металлах это оксиды), увеличивающих электрическое сопротивление. В-третьих, способность оказывать смазывающее действие на трущиеся поверхности. В кристалле графита атомы углерода прочно связаны между собой в плоских сетках, а связь между сетками слабая, она имеет межмолекулярную природу, как в веществах с молекулярными решетками. Поэтому уже небольшие механические усилия вызывают смещение сеток относително друг друга, что и обусловливает действие графита как смазки. Энергия связи между атомами углерода в простых и сложных веществах, в том числе и в алмазе, и в графите. Очень велика. О твердости алмаза уже говорили. Прочна связь между атомами и в графитовой сетке. Так, прочность на разрыв волокна из графита значительно превышает прочность железа и технической стали. На основе графита изготавливают так называемые композиционные материалы, в частности углепластики, в которых волокна графита находятся на матрице из эпоксидной смолы. Композиционные материалы все шире применяются в авиационной и космической технике (ведь помимо прочности они легкие; сравним плотность графита, р=2,3 г/см3 ,с плотностью «легкого» алюминия, р=2,7г/см3, и тем более железа, р=7,9г/см3), а также в судостроении, где особенно ценна коррозионная стойкость.
Главное химическое применение углерода – восстановление металлов, в первую очередь железа, из руд. Оксиды углерода. Имея четыре электрона во внешнем энергетическом уровне, углерод в соединениях с кислородом в зависимости от условий проявляет валентности +2 и +4. При горении углеродосодержащих веществ (дрова, уголь, природный газ метан, спирт и др.) при температуре обычного пламени идет реакция: С + О2 = СО2 Но если создать условия для повышения температуры (например, уменьшить теплоотвод, что может происходить внутри толстого слоя горящего угля, в том числе в доменной печи), то протекают реакции: С +О2 = 2СО СО2 + С = 2СО Продуктом полного сгорания углерода и содержащих его веществ является оксид углерода (1У) СО2 – углекислый газ . Он же образуется при дыхании живых организмов и гниении их остатков. |