СОЕДИНЕНИЯ УГЛЕРОДА

ЭЛЕМЕНТЫ IVА ГРУППЫ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Элементы и их символы: углерод С, кремний Si, германий Gе, олово Sn, свинец Pb.

Степень окисления. Для элементов IVА группы характерны степени окис­ления (+2) и (+4), реже реализуется степень окисления (-4). Устойчи­вость состояния окисления (+4) понижается с ростом порядкового номера элемента (от С к Рb), для свинца более устойчива степень окисления (+2).

Свойства (табл. 1).

Таблица 1.

Свойства элементов IVа группы

Металлический характер простых веществ увеличи­вается от углерода к свинцу. По физическим свойствам простые веще­ства углерода — алмаз и графит — неметаллы (у графита обнаруживаются некоторые признаки металлов), кремний и германий проявляют промежуточ­ные свойства, являясь полупроводниками; олово и свинец — типичные метал­лы. По химическим свойствам С и Si — неметаллы; в ряду Gе, Si, Рb увеличивается химическая активность их как металлов, причем у Gе преобла­дают еще неметаллические свойства, а у Рb — металлические.

Гидроксиды углерода и кремния в степени окисления (+4) отвечают кислотам, а гидроксиды германия (+4), олова (+4) и свинца (+4) — амфотерные соединения, кислотные свойства которых выражены сильнее, чем у гидроксидов соответствующих элементов IIIА группы. Гидроксиды элемен­тов в степени окисления (+2) известны только для германия, олова и свинца, они более основны, чем гидроксиды соответствующих элементов в степени окисления (+4), но в целом все же амфотерны.

Устойчивость водородных соединений элементов IVА группы понижается от углерода к свинцу. Поскольку атомы углерода могут практически неогра­ниченно соединяться друг с другом в цепи и циклы, может быть получено также практически неограниченное число углеводородов. Для атомов кремния соединение в цепи и циклы выражено уже достаточно слабо, а для атомов германия, олова, и свинца это явление совсем не характерно.

УГЛЕРОД

Открытие. Углерод С известен с древнейших времен; признан химическим элементом в 1775 г. (Лавуазье, Франция).

Распространение в природе. Углерод — основная составная часть всех организмов; тринадцатый элемент по распространенности на Земле (в лито­сфере, атмосфере и гидросфере). Встречается как в свободном виде (алмаз, графит), так и в связанном состоянии (диоксид углерода, карбонаты, уголь, нефть, природный газ, сланцевое масло, битумы). Масса углерода, содержа­щегося в атмосфере в виде СО₂, составляет »6,0*10¹¹ т, что примерно только в два раза больше, чем масса углерода в живой материи.

Минералы:магнезит MgCO₃, кальцит (известковый шпат, извест­няк, мел, мрамор) СаСО₃, доломит СаМg(СО₃)₂, стронцианит SrСO₃, витерит ВаСО₃, родохрозит (марганцевый шпат, ма­линовый шпат) МnСО₃, сидерит (железный шпат) FеСО₃, малахит Сu₂СО₃(ОН)_2, смитсонит (цинковый шпат) ZnСО₃, церуссит (белая свинцовая руда) РbСО₃.

Многообразие углеродсодержащих соединений. В противоположность атомам дру­гих элементов, атомы углерода в практически неограниченном числе могут соединяться в цени и циклы. Поэтому известно огромное число углеродсодержащих соединений (около пяти миллионов), в то время как число соединений, не содержащих углерода, относительно невелико (»300000). В настоящее время ежегодно синтезируют около 250000 новых соединений углерода. Большинство соединений углерода относятся к органическим веществам. К неорганическим соединениям углерода относят простейшие из них: оксиды, сульфиды, угольную кислоту, карбонаты, карбиды, цианиды и не­которые др.

Аллотропные модификации. В свободном состоянии углерод находится в виде двух модификаций — алмаза и графита. Ранее называли аморф­ным углеродом получаемые в особых условиях сажу, ретортный графит, ак­тивный уголь и другие мелкокристаллические разновидности графита, кото­рые по реакционной способности и некоторым другим свойствам сильно от­личаются от крупнокристаллического графита.

Свойства. Все разновидности углерода не имеют вкуса и запаха. Химически растворяются в расплавленных металлах.

При обычных температурах химически инертны. Углерод при избытке кис­лорода сгорает до диоксида углерода СО₂ (полное сгорание), а при недо­статке кислорода — до монооксида углерода СО (неполное сгорание). Уголь­ная пыль в воздухе может оказаться взрывчатой. При повышенных темпера­турах углерод реагирует с различными металлами и неметаллами. Оксиды многих металлов при взаимодействии с углеродом восстанавливаются до ме­таллов. Некоторые свойства алмаза и графита представлены в табл. 2.

Таблица 2

Свойства алмаза и графита

Алмаз — благородный камень, имеет наибольшую твердость среди всех природных веществ, шлифуется только собственным порошком. В чистом со­стоянии представляет собой прозрачные бесцветные или белые кристаллы с сильным преломляющим эффектом. После обработки (огранка, шлифовка) по­лучают бриллианты, массу которых выражают в каратах (1 карат = 200 мг). Менее чистые алмазы обычно окрашенные и мутные, например серо-голубой и черный карбонадо,

Месторождения алмазов встречаются в Южной и Экваториальной Африке, Сибири, Бразилии, Индии. Разработано искусственное получение алмазов (1955 г.) из графита при температуре 2000°С и давлении 5300 МПа, обычно образуются мелкие кристаллы массой в несколько ка­ратов. Применяют для изготовления режущих инструментов (сверл и др.), предназначенных, в частности, для резки стекла, при волочении проволоки, как опора для подшипников и других движущихся частей в точных измери­тельных инструментах.

Графитсостоит из углеродных слоев, связанных друг с другом, но до­статочно подвижных (слоистая решетка), поэтому графит достаточно мягок, легко расщепляется на слои и пачкает почти любую поверхность. Может быть искусственно получен из угля. Применяют для изготовления стержней для карандашей, электродов, плавильных тиглей (материал — прессованная смесь графита с глиной), в качестве пигмента, как добавку в антикоррозион­ные краски; служит замедлителем в ядерных реакторах.

Сажа — очень мелкий графитовый кристаллический порошок. Образуется при неполном сгорании соединений углерода, в технике ее получают из аце­тилена или из нафталина. Применяют в качестве наполнителя для резин (по­вышает устойчивость автопокрышек к абразивному износу; сажа составляет приблизительно одну треть массы автомобильной покрышки), как компонент сухих гальванических элементов, печатных красок, крема для обуви, туши и др.

Активный уголь получают из органических материалов (древесины, кости,

сахара, крови, ореховой скорлупы) путем пропитывания раствором хлорида цинка (II) или карбоната калия и последующего нагревания при недостатке воздуха. Содержит огромное количество пор и поэтому обладает очень боль­шой поверхностью (1 г угля имеет поверхность 800 м²), вследствие чего обла­дает очень высокой способностью адсорбировать многие газы и растворенные вещества. Применяют для очистки, разделения и извлечения различных ве­ществ, например для извлечения бензола из светильного газа, ксилола из отходов текстильных печатных паст, дисульфида углерода из отходов про­изводства вискозного волокна, растворителей из отходов лакокрасочной про­мышленности, для обесцвечивания паточного сиропа, для очистки этанола от сивушных масел, как наполнитель в противогазах, сорбирующее средстве в медицине.

СОЕДИНЕНИЯ УГЛЕРОДА