Лекция № 22. Элементы IVA-подгруппы

Элемент углерод имеет кларк 0,15 мол.% и представлен в природе двумя стабильными изотопами: ¹²С (99%) и ¹³С. Также существует радиоактивный изотоп ¹⁴С с периодом полураспада 5570 лет, образование которого происходит при бомбардировке атомов азота нейтронами в верхних слоях атмосферы:

¹⁴N + n = ¹⁴C + ¹H

Вовлечение радиоуглерода в биологический круговорот приводит к тому, что живые организмы имеют постоянную концентрацию данного изотопа. После прекращения жизнедеятельности организма концентрация радиоуглерода постепенно уменьшается за счет распада его ядер. На определении остаточного количества ¹⁴C основан один из наиболее точных методов датировки органических остатков в археологии.

Углерод образует группу карбонатных минералов: CaCO₃ - кальцит, мел, мрамор, мергель; MgCO₃ - магнезит; CaCO₃×MgCO₃ - доломит; FeCO₃ - сидерит; Cu₂(OH)₂CO₃ - малахит. Углерод входит в состав органических соединений, составляющих основу и обеспечивающих жизнедеятельность живых организмов.

В природе встречаются с разной вероятностью все аллотропные модификации углерода, основными из которых являются алмаз, графит и карбин. Алмаз - прозрачные кристаллы, самое твердое из всех природных веществ, плохо проводит тепло, не проводит электрический ток. Свойства алмаза обусловлены строением его кристаллической решетки. Атомы углерода в кристалле алмаза находятся в состоянии sp³-гибридизации и связаны друг с другом прочными ковалентными s-связями, каждый атом окружен четырьмя другими атомами, образующими тетраэдр.

Графит - темно-серое вещество с металлическим блеском, хорошо проводит электрический ток, тугоплавкий, имеет слоистую структуру. Атомы в кристалле графита находятся в состоянии sp²-гибридизации и объединены в плоские слои, состоящие из правильных шестиугольников, в которых каждый атом связан s-связями с соседними атомами. Сопряжение негибридизованных p_z-орбиталей атомов углерода, расположенных перпендикулярно плоскости слоев и содержащих неспаренные электроны, приводит к образованию делокализованной p-системы, обеспечивающей высокую электропроводность графита. Расстояние между слоями довольно велико (0,335 нм) и силы взаимодействия слабы, поэтому графит легко расслаивается. При температуре 3000 °С и давлении 7000 - 10000 мПа графит переходит в алмаз.

¾¾®

Карбин - мелкокристаллический порошок черного цвета, по твердости занимает промежуточное положение между графитом и алмазом, обладает полупроводниковыми свойствами. При нагревании до 2800 °С без доступа воздуха карбин превращается в графит. Кристаллы карбина состоят из линейных цепочек углеродных атомов, соединенных чередующимися одинарными и тройными связями (полиин) или кумулированными двойными связями (поликумулен).

-CºC-CºC- =C=C=C=

полиин поликумулен

При испарении углерода в пламени электрической дуги образуется группа молекулярных соединений углерода - фуллерены. Наиболее полно изучен букибол - С₆₀, образующий молекулу в форме футбольного мяча (сшитые пяти- и шестичленные циклы).

В качестве аллотропной модификации иногда рассматривают стеклоуглерод - аморфное вещество, содержащее фрагменты разных модификаций.

Технические алмазы применяются для изготовления наконечников буров, стеклорезов, для приготовления специальных шлифовальных порошков. Хорошо отшлифованные прозрачные природные алмазы - бриллианты - используют как украшения. Графит используется для изготовления электродов, тиглей для переплавки металлов. Из графита делают термостойкие смазки, стержни карандашей. Сажа, состоящая в основном из мелкодисперсного графита, применяется в качестве наполнителя при вулканизации каучука, для приготовления красок. Каменный и древесный уголь, кокс применяют как восстановители в металлургии. Кроме того, древесный уголь используют как адсорбент (поглотитель) вредных веществ из газов и растворов. Адсорбционную способность угля можно улучшить обработкой перегретым паром, который освобождает поры, увеличивая общую поверхность. Такой уголь называется активированным, он применяется в виде таблеток при отравлениях и желудочных заболеваниях , для очистки спирта от сивушных масел, сахарного сиропа от окрашенных веществ, для очистки воздуха от отравляющих веществ.

Химические свойства. При низких температурах углерод во всех аллотропных модификациях довольно инертен. При нагревании активность углерода увеличивается и он реагирует с водородом, кислородом, серой, кремнием:

t t t

C + 2H₂ = CH₄ ; C + 2S = CS₂; C + Si = SiC

Ni

Взаимодействуя с металлами, углерод образует карбиды:

t t t

Ca + 2C = CaC₂; 4Al + 3C = Al₄C₃; 3Fe + C = Fe₃C

При высоких температурах углерод является сильным восстановителем, окисляется водой и другими оксидами, а также кислотами-окислителями:

t t

C + H₂O = CO + H₂; C + CuO = Cu + CO;

t

C + 4HNO₃ = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O